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无刷直流电机的设计与性能研究

作　者: 张涛
导　师: 上官璇峰
学　校: 河南理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无刷直流电机电机设计有限元分析性能研究
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 22次
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内容摘要

无刷直流电机采用稀土永磁材料励磁的电机，具有高速度、高效率、寿命长、运行可靠、调速范围宽等优良特性，因此在航空航天、家电、电子仪器、采矿等许多设备上得到广泛应用。由于我国对无刷直流电动机的研发开始较晚，自主研发的无刷直流电机与国际上先进水平还有一定差距，相关理论还需要进一步的研究。文中对无刷直流电机与其它几种普通电机分别作了全面分析比较，提出了无刷直流电机所具有的一些优点。在此基础上，详细分析了无刷直流电机的基本结构、工作原理和绕组方式，从而选择了所设计样机的相数、位置检测器的方式及绕组形式。文中根据额定参数要求，设计一台功率为46W的样机。首先，采用解析法确定了电机的主要尺寸，设计了永磁体的形状及尺寸。使用等效磁路的方法，计算了永磁体的工作点，并初步计算了电机的性能，所计算的性能参数结果达到了预期要求。其次，分别使用软件Ansoft Maxwell中的解析分析模块RMxprt和有限元分析软件Magnet，从两种不同角度分析研究了电机内的磁场，并利用有限元分析软件Magnet研究了永磁体分别在径向充磁和平行充磁时，对电机内气隙磁密的影响。在电机空载和负载两种工作状态下，分别仿真了电机的相电流、相电压、电磁转矩和速度波形，并对其进行了分析研究，分析研究得到所设计的样机性能达到了设计要求。之后，使用解析法和电磁场有限元分析法相结合的电机优化设计软件MotorSolve，对所设计的样机进行了简单优化。最后，分析研究了霍尔位置传感器位置的偏移，对电机性能的影响。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-10
1 绪论  10-16
  1.1 无刷直流电机发展的概况  10
  1.2 无刷直流电机研究现状  10-12
  1.3 无刷直流电机的特点  12-13
  1.4 研究意义及主要工作  13-16
2 无刷直流电动机的基本原理  16-24
  2.1 无刷直流电机的基本结构  16-19
    2.1.1 电机本体  16-17
    2.1.2 转子位置检测器  17
    2.1.3 电子换相线路  17-19
  2.2 无刷直流电动机的工作原理  19-21
  2.3 无刷直流电动机绕组联接和换相方式  21-22
  2.4 无刷直流电动机的绕组  22-23
  2.5 本章小结  23-24
3 电机设计与计算  24-40
  3.1 主要尺寸的确定  24-26
  3.2 其它参数的确定  26-28
    3.2.1 相数确定  26
    3.2.2 极对数选择  26-27
    3.2.3 气隙长度选择  27
    3.2.4 永磁体尺寸选取  27
    3.2.5 极弧系数的确定  27-28
  3.3 永磁无刷直流电动机等效磁路及求解  28-33
    3.3.1 永磁无刷电机外磁路的等效磁路和电机等效磁路  28-30
    3.3.2 漏磁系数和空载漏磁系数  30-31
    3.3.3 电机等效磁路的求解  31-33
  3.4 样机设计  33-38
  3.5 本章小结  38-40
4 无刷直流电动机磁场分析  40-56
  4.1 解析法  40-41
  4.2 有限元法  41-49
    4.2.1 有限元法基本原理  41-44
    4.2.2 有限元分析  44-45
    4.2.3 网格剖分  45
    4.2.4 静态和动态时的磁场  45-49
  4.3 饱和分析  49
  4.4 齿槽效应  49-50
  4.5 充磁方式对电机性能的影响  50-52
  4.6 基于有限元分析的参数计算  52-55
    4.6.1 磁通和磁链的计算  52-53
    4.6.2 气隙磁密径向分量的分布  53
    4.6.3 自感与互感的计算  53-54
    4.6.4 电磁转矩的计算  54-55
  4.7 本章小结  55-56
5 性能研究  56-74
  5.1 无刷直流电机的数学模型  56-57
  5.2 电机特性有限元仿真  57-63
    5.2.1 反电动势研究  57-58
    5.2.2 电机空载时的研究  58-60
    5.2.3 额定负载时研究  60-62
    5.2.4 电机堵转时的研究  62-63
  5.3 电机参量优化  63-67
  5.4 转子位置检测器对电机性能影响的研究  67-72
    5.4.1 霍尔位置传感器的原理  67-68
    5.4.2 霍尔位置传感器的安装  68-70
    5.4.3 霍尔传感器的位置对电机性能的影响  70-72
  5.5 本章小结  72-74
6 总结与展望  74-76
  6.1 论文总结  74
  6.2 后续工作  74-76
参考文献  76-82
作者简历  82-84
学位论文数据集  84

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