文档介绍：小功率永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究
摘要
永磁无刷直流电动机是把电机、电子和稀土材料的高新技术产品发展紧密的结合在一起的新型电机,它具有单位体积转矩高、重量轻、转矩惯量小、控制简单、能耗少和调速性能好等优点,因而在航天航空、数控机床、机器人、汽车、计算机外围设备、军事等领域及家用电器等方面都获得了广泛的应用。因此,设计性能优异的永磁无刷直流电机具有重要的理论意义和应用价值。本论文系统的研究了35w小功率永磁无刷直流电机的本体设计,包括设计方法、有限元分析、性能计算、软件仿真等。本文主要的研究内容如下:
1、综述了永磁无刷直流电机的研究现状、存在问题和发展前景,分析了永磁无刷直流电机的基本理论。
2、建立永磁无刷直流电机的数学模型,先利用解析法对该电机进行电磁设计,然后利用有限元法对电机进行优化。
3、基于星形连接三相三状态的控制电路,电磁场分析软件建立了永磁无刷直流电机的有限元分析模型,仿真分析其静态气隙磁场分布及动态带负载时的电机特性。并将软件仿真所得结果与设计计算结果进行比较分析,验证了设计方法的正确性。
关键词:电机设计,无刷直流电动机,有限元分析,稳态特性
第一章绪论

永磁无刷直流电动机是一种新型的电动机,其应用广泛,相关技术仍然在不断的发展中,该类电动机的发展充分体现了现代电动机理论、电力电子技术和永磁材料的发展过程。其中,永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器等的快速发展对永磁无刷直流电动机的进步功不可没。
1821年9月,法拉第建立的世界上第一台电机就是永磁电机,自此奠定了现代电机的基本理论基础。十九世纪四十年代,人们研制成功了第一台直流电动机。1873年,有刷直流电动机正式投入商业应用。从此以后,有刷直流电动机就以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用,占据了极其重要的地位。随着生产的发展和应用领域的扩大,对直流电动机的要求也越来越高。但遗憾的是,由于传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,因而存在相对的机械摩擦,产生了噪声、火花和无线电干扰,寿命短,并且经常需要维护等
缺点。针对直流电动机上述的弊病,在1917年,Boliger提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷,从而诞生了永磁无刷直流电机的基本思想。但是,由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段,未能找到理想的电子换向器件,使得这种电动机只能停留在实验研究阶段,未能推广使用。到三十年代,有人提出利用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓整流子电动机,它的思想和现代永磁无刷直流电机已经相当接近,但这种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重而复杂,故无实用价值。科学技术的迅猛发展,带来了半导体技术的飞跃,1948年,贝尔实验室开关型晶体管的研制成功,又为永磁无刷直流电机带来了新的生机1955年,美D·Harrison等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利,这就是现代直流无刷电动机的雏形。而电子换向的永磁无刷直流电动机真正进入实用阶段,1978年,原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统,在此以后,国际上对永磁无刷直流电动机进行了深入的研究,先后研制成了方波永磁无刷直流电动机和正弦波永磁无刷直流电动机。由于永磁无刷直流电机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,同时又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及具有良好的调速特性等诸多特点,因此,它从一面世就受到了人们的广泛关注,世界各国工业先进国家的著名电机和控制厂商都竞相进行永磁无刷直流电机及其控制系统的开发,各个公司,比较著名的有美国的
GM,Gould,德国的Simens,Indramat日本的Fanuc,安川电机等都纷纷推出自己的永磁无刷直流电机的应用系统及其相关产品,这种研究目前还在日见深入,新产品层出不穷,20多年以来,随着永磁新材料、微电了技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展,永磁无刷直流电动机得到了长足的发展【1】【2】。
由于永磁直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点,故在当今国民经济各个领域,如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。如计算机硬盘驱动器和软盘驱动器里的
主轴电动机、录像机中的伺服电动机,均广泛的运用了永磁直流无刷电动机。
目前无刷直流电动机研究的主要问题
随着永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器的快速发展,对永磁无刷直流电动机的研究也在不断深入,并得到广泛的应用。从现有的文献资料来看,目前国内外对无