1.1課題背景第一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)是在第一次工業(yè)革命末期發(fā)明的。19世紀(jì)70年代，電刷然而，無刷DC電機(jī)一直存在一個(gè)問題，即其電刷換向器結(jié)構(gòu)通過機(jī)械接觸，容1917年，博爾喬爾提出用整流管代替無刷DC電機(jī)的機(jī)無刷DC電機(jī)的基本思想。在20世紀(jì)30年代，有人建議用離子裝置根據(jù)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)40年代，開關(guān)晶體管的成功推動(dòng)了永磁無刷DC電國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：1955年，美國的D.Harrison首次申請向電路代替有刷DC電機(jī)的機(jī)械刷，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷DC電機(jī)的誕生。經(jīng)過多年電動(dòng)機(jī)的制造和控制技術(shù)。因此，在2004年的國際電機(jī)大會(huì)上，提出了無刷電發(fā)展迅速。我國對無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究和開發(fā)始于20世紀(jì)70年代初，主要集刷電機(jī)的主要原材料)生產(chǎn)和供應(yīng)基地，中國也將成為世界上最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國。并不斷推動(dòng)行業(yè)在技術(shù)上的發(fā)展。然而，我國在發(fā)展無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的過程中，出現(xiàn)了很多問題，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)業(yè)以勞動(dòng)密集型產(chǎn)品為主，技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯滯后于發(fā)達(dá)工業(yè)國家，產(chǎn)業(yè)能耗大，環(huán)境污染嚴(yán)重，企業(yè)整體規(guī)模小，技術(shù)創(chuàng)新能力弱等。因此，研究一無刷直流電機(jī)不僅具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維修方便的交流電動(dòng)機(jī)，還具有運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好和直流電機(jī)一樣，所以它廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如儀器儀表、化工、紡織、醫(yī)療器械、家用電器，特別是高科技領(lǐng)域。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓和電流是非正弦波的，這使得無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)不同于正弦波驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)。目前國內(nèi)關(guān)于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)較少，因此有必要對無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和優(yōu)化。這對于無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和分析具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。1.2無刷直流電機(jī)的發(fā)展趨勢無刷直流電機(jī)擁有者機(jī)電一體化的特點(diǎn)，除了電動(dòng)機(jī)自身外，還必須具有傳感器，傳感器的作用是測出定子與轉(zhuǎn)子之間的相對位置。同時(shí)它的運(yùn)行離不開驅(qū)動(dòng)電路。同樣，電力電子技術(shù)和電子與器件的發(fā)展又進(jìn)一步推動(dòng)無刷直流電機(jī)的1.2.1正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)隨著高速微處理器和DSP器件的出現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)行速度更快，處理能力更強(qiáng)，出現(xiàn)了特殊的控制芯片。隨著這些設(shè)備的廣泛應(yīng)用，設(shè)備的成本大大降低。所以正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電機(jī)比方波驅(qū)動(dòng)的電機(jī)功率更大。西門子早期開發(fā)的1F5系列是方波電流驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)已停產(chǎn)，換成正弦波電流驅(qū)動(dòng)的1F6系列。當(dāng)然，正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電機(jī)需要一個(gè)精度好的傳感器，成本會(huì)更高，所以在任何情況下都無法在一些應(yīng)用中，由于需要控制成本，所以添加位置傳感器非常困難。利用DSP強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)的無傳感器控制。在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，可以有一種無傳感器控制算法，只需要4個(gè)電阻就可以從獲得的位置、速度和擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩信息分配網(wǎng)絡(luò)。此外，該算法可以獲得瞬態(tài)位置和速度信息，而傳統(tǒng)算法采用過零算法。大約需要500條DSP指令(因此程序內(nèi)存為500字),在20兆IPS控制器上執(zhí)行時(shí)間約為13μs。低成本的數(shù)字信號處理器設(shè)備為壓縮機(jī)、洗衣機(jī)、風(fēng)扇和高壓交流驅(qū)動(dòng)器中的無刷DC電機(jī)提供了高效率的方案。低成本數(shù)字信號處理器電機(jī)控制器的應(yīng)用展示了DC電機(jī)無刷無傳感器控制的前景，隨著工業(yè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的需求，一種新型高性能設(shè)備被推向市場。當(dāng)原裝無刷直流電動(dòng)機(jī)使用雙極功率晶體管時(shí)，電機(jī)電路的開關(guān)頻率一般為(2-5)KHz,相對于人耳來說是噪聲。同時(shí)，當(dāng)繞組電感不夠大時(shí)，繞組電流波形不夠穩(wěn)定，波動(dòng)較大。電路中采用功率場效應(yīng)晶體管和絕緣柵晶體管后，開關(guān)頻率可達(dá)到10KHz以上。這樣，電磁噪聲和電流波形都得到了改善。無刷電機(jī)的效率與磁性材料的發(fā)展密切相關(guān)。磁性材料的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。最早的是鋁鎳鈷，這種磁性材料磁能低，價(jià)格昂貴，但溫度性能好，所以仍用于一些電機(jī)。后來發(fā)展了鐵氧體磁性材料，這種磁性材料磁能量不高，但價(jià)格低，所以在很長一段時(shí)間內(nèi)被廣泛使用。然后又出現(xiàn)了釤鈷合金磁性材料，這種磁性材料的磁能產(chǎn)品比以前的材料提高了一倍，但由于釤是稀土元素，價(jià)格昂貴，又是戰(zhàn)略控制材料，所以這種高性能的磁性材料并沒有得到廣泛的應(yīng)用。1983年，日本人發(fā)明了釹鐵硼(NdFeB),導(dǎo)致了磁性材料的一場大革命。釹鐵硼是一種具有高磁能的磁性材料。釤和釹都是稀土元素，但釹更便宜，使馬達(dá)更有效率和更小。由于釹鐵硼材料的磁能高，因而不需要大量的軟磁和勵(lì)磁繞組封裝。因此，可以大大減少電機(jī)的體積和重量，生產(chǎn)更加方便。由于磁性材料性能的改善，電機(jī)電樞繞組的繞組線圈也大大減少。1.2.4無刷電機(jī)向高壓低電流方向發(fā)展一般來說，在電子元器件特別是功率場效應(yīng)晶體管中，容易實(shí)現(xiàn)高電壓、低電流。在大電流下，晶體管的壓降增大，上層損耗也增大。同時(shí)，在高電壓低電流的情況下，功率場效應(yīng)晶體管上的管壓降與母線電壓的比值也較小，因此效率會(huì)得到提高。1.2.5性能的改進(jìn)和新品種的開發(fā)在無刷DC電機(jī)中，首先要改善的問題是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，尤其是用于視聽設(shè)備、電影機(jī)械、計(jì)算機(jī)等要求運(yùn)行穩(wěn)定、無噪聲的無刷DC電機(jī)。這些場合使用的電機(jī)大多是小功率、小尺寸的電機(jī)，緊湊的尺寸使得更換更加困難。為了提高電機(jī)性能，采用計(jì)算機(jī)仿真、分析、計(jì)算和比較的方法，研究氣隙磁場的形狀和磁極結(jié)構(gòu)，選擇合適的極數(shù)、槽數(shù)和槽尺寸。為了滿足未來發(fā)展的要求，各種類型的無刷DC電機(jī)正在不斷發(fā)展。如：無槽電機(jī)，定子鐵芯沒有齒槽，只有磁軛，定子繞組直接放在定子鐵芯磁軛上；盤式電機(jī)有兩個(gè)軸向氣隙。這種電機(jī)在小容量的情況下，容易實(shí)現(xiàn)低噪聲、低振動(dòng)、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高效率、高功率密度，非常[2]孫曉霞，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和仿真研究.[浙江大學(xué)碩士論文],杭州：浙江大[3]譚建成.永磁無刷直流電機(jī)技術(shù).北京機(jī)械工業(yè)出版社，2011:21-105[4]劉剛，王志強(qiáng)，房建成.永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用.第1版.北京機(jī)械工業(yè)出版[5]朱彩虹.基于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)磁場有限元分析.微電機(jī)，2010,43(6):103-105[6]張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用.第1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011:21-105[7]劉廣巖.抽油機(jī)用無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制.[沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文],沈[8]侯曦瑞.輪式機(jī)器人用無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì).[沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文],沈陽；沈陽工業(yè)大學(xué)，2007[9]史雪冰.基于DSP的無刷直流電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng).[浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文],杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，[12]陶桂林.大功率永磁無刷直流電機(jī)及其系統(tǒng)研究.[華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文].武漢：華中科技大學(xué)2003[14]王瑞，永磁無刷直流電機(jī)的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化研究.[安徽大學(xué)碩士學(xué)位論文].合肥；安徽大學(xué)，2001[15]杰靜.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析.[遼寧工程技術(shù)大學(xué)[1