本文關鍵詞：轉(zhuǎn)子無鐵心高速永磁無刷直流電動機的設計研究

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【摘要】：高速永磁無刷直流電動機具有功率密度大、幾何尺寸小、動態(tài)響應快、運行效率高等一系列優(yōu)點,在高速運行場合具有廣闊的應用前景。然而,高速電機內(nèi)的磁場交變頻率高,定、轉(zhuǎn)子損耗大；旋轉(zhuǎn)速度快,轉(zhuǎn)子剛度要求高。本文研究的高速永磁無刷直流電動機應用于小型分子泵中,分子泵是獲得良好真空環(huán)境的關鍵設備,為保證真空環(huán)境的質(zhì)量,要求分子泵主軸高速旋轉(zhuǎn),因此,運行于真空環(huán)境下的高速永磁無刷電機設計不同于普通電機,其熱負荷要求更加苛刻。本文研究課題是基于國家重大科學儀器設備開發(fā)專項：高速小型復合分子泵的開發(fā)應用(編號2013YQ130429)的電機設計及控制部分。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：首先,本文從減小定、轉(zhuǎn)子損耗角度提出了轉(zhuǎn)子無鐵心的高速永磁無刷電機設計方案,并且配合不導電碳纖維套筒和粘結(jié)釹鐵硼轉(zhuǎn)子磁環(huán)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子渦流損耗最小。在此基礎上對高速無刷電機的定子極槽裂比、永磁體充磁方式、轉(zhuǎn)矩脈動等方面進行了深入討論,分別給出了合理解決方案,最后,通過定轉(zhuǎn)子尺寸的合理匹配完成了小型分子泵用高速永磁無刷電機的電磁設計方案。通過實際樣機試驗證明本文提出的無轉(zhuǎn)子鐵芯高速永磁無刷電機設計方案滿足小型分子泵的驅(qū)動和溫升要求,設計方案正確合理。其次,本文基于等效面電流法和鏡像法建立了無轉(zhuǎn)子鐵心高速永磁電機氣隙磁場的等效數(shù)學模型,推導了該類電機氣隙磁場解析計算表達式,并利用解析法計算出忽略定子槽影響的氣隙磁密波形、繞組感生電動勢波形及其諧波分布。最后,將解析計算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果和樣機實測樣機結(jié)果進行對比,結(jié)果吻合較好,證明本文提出的無轉(zhuǎn)子鐵心高速永磁電機氣隙磁場解析方法是正確的,為該類電機的進一步設計優(yōu)化提供了有力工具。再次,基于Bertotti鐵耗分立模型和高頻鐵損曲線計算了轉(zhuǎn)子無鐵芯高速永磁電機的定子鐵心損耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗,并詳細分析了空載和負載狀態(tài)下轉(zhuǎn)子各部分渦流損耗,討論了槽口寬度、保護環(huán)材料、電機轉(zhuǎn)速等影響因素。另外,結(jié)合有限元計算和Maxwell應力張量法分析推導了無鐵心轉(zhuǎn)子發(fā)生靜偏心時轉(zhuǎn)軸受到的不平衡徑向磁拉力的計算方法,并進一步證明偏心距與轉(zhuǎn)軸不平衡磁拉力呈線性關系,為該類電機加工制作安裝公差的確定提供理論依據(jù)。最后,以dsPIC30F2010為主控芯片設計開發(fā)了基于端電壓法的高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統(tǒng),結(jié)合改進的三段式起動方法來完成高速無刷電機的可靠起動、運行；通過RS232串行通訊完成了上位機對高速電機的實時控制和監(jiān)測,通過在小型分子泵上的實驗運行結(jié)果,證明本文設計的高速永磁電機及其控制滿足分子泵運行要求,設計方案是正確可靠的。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM33

【參考文獻】

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本文編號：1192913