高速永磁无刷直流电机综述要点Word格式.docx

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各种传统的控制方法也伴随着科学发展和技术进步不断更新，许多经典的控制方法在新技术硬件平台上获得了比以往更优良的性能。

特别是数字信号处理器和可编程逻辑器件出现，极大地推动了永磁无刷直流电机控制技术不断向集成化、智能化方向发展。

关键字：

高速电机，无刷直流，热点，难点

Summaryofthehigh-speedpermanentmagnet

brushlessDCmotor

Abstract

High-speedmotorisnowbecomingoneofthehotmotorareas.Itsmainfeaturesaretwo:

First,thehigh-speedrotationoftherotor;

Second,theironcorestatorwindingcurrentsandhighfrequencyflux.Whichdeterminesthekeytechnologyisdifferentfromordinarymotorspeedmotorspecific.HereinafterreferredtoasthebrushlessDCmotor（BLDC）withthedevelopmentofpowerelectronicstechnologyandnewpermanentmagnetmaterialsrapidlymaturingofanewmotor.Itssmallsize,lightweight,highefficiency,lowinertiaandhighprecisioncontrol,whileretainingthenormalDCmotoriswidelyusedinexcellentmechanicalpropertiesServo-controlledareas,CNCmachinetools,robotsandsoon.Inrecentyears,withthecontinuousexpansionofbrushlessDCmotorapplicationsofvariouscontrolalgorithmsandcontrolstrategieshavealsoemergedinordertofacilitatethetheoreticalanalysisandvalidationofvariouscontrolalgorithmsandstrategiestoestablishthecorrectmodelofabrushlessDCmotorisveryimportant.Therefore,thehigh-speedpermanentmagnetmotorprospectsareverybright.However,therearemanytechnicaldifficultiesinhighspeedpermanentmagnetmotordesignprocess.Withthecontinuousdevelopmentofscieneeandtechnology,theperformaneerequirementsofbrushlessDCmotorspeedcontrolsystemspeedandincreasingtorque.Varioustraditionalcontrolmethodsisalsoaccompaniedbyscientificdevelopmentandtechnologicalprogressconstantlyupdated,Manyclassicalcontrolmethodsonanewhardwareplatformtechnologytoobtainamoreexcellentperformaneethanever.Inparticulardigitalsignalprocessorandaprogrammablelogicdeviceoccurs,GreatlypromotedthepermanentmagnetbrushlessDCmotorcontroltechnology

continuestointegrated,intelligentdirection.

Keywords:

high-speedmotors,brushlessDC,hot,difficult

摘要I

Abstract山

第1章绪论1..

1.1课题研究的背景及意义1

1.1.1课题研究的背景1.

1.1.2课题研究的意义3

1.2无刷直流电机的发展4

1.2.1电力电子技术的发展4

1.2.2新型永磁材料的发展5

1.2.3DSP的应用6.

1.2.4控制策略6.

1.3高速电机的国内外研究现状7

1.3.1国外研究现状7.

1.3.2国内发展状况.8.

第2章高速永磁无刷直流电机电磁方案的设计10

2.1高速永磁无刷直流电动机的工作原理10

2.1.1高速永磁无刷直流电动机的本体结构10

第3章高速永磁无刷直流电机存在的难点、热点与展望20

3.1高速永磁无刷直流电机的难点20

3.2高速永磁无刷直流电机的热点20

参考文献23

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1课题研究的背景

高速加工和精密加工是未来制造业发展的两个方向，是高速加工，它不仅具有极高的生产率，且可显著提高零件的加工精度和表面质量，实现工程陶瓷、玻璃、半导体硅等特殊材料的高效精密加工，在航空航天、精密仪表制造等高精尖领域获得了广泛的应用。

电主轴是高速机床的核心部件如图1-1所示，其特点是将机床主轴功能和电机功能从结构上融为一体,省去了复杂的中间传动环节，具有速度咼、精度咼、调速范围宽、振动噪声小、可快速起动和定向停等优点。

电主轴的性能决定了高速机床的性能和技术水平，而超高速电机是电主轴技术的基础为了超高速电主轴的实现，就必须将先进的材料、电机设计理论、电力电子技术、数字控制技术和控制理论等运用到电机领域⑴。

图1-1高速电主轴

Figure1-1high-speedspindie

一、高速电机

高速永磁电机的技术涉及了多个学科，是集材料科学，电力电子技术、控制理论、电机的本体设计以及制造于一体的新型机电产品，这些新兴技术的产生也为高速永磁电机的发展奠定了扎实的技术基础，目前高速电机的研究也已成为国际电工领域的研究热点之一。

所谓高速电机通常是指转速超10000r/min的电机。

它们具有以下优点：

一是由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于功率普通的电机，可以有效的节约材料。

二是可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小。

三是由于高速电机转动惯量小，所以动态相应快。

基于以上优点，高速电机在以下各方面具有广阔的应用前景⑴：

1、高速电机在空调或冰箱的离心式压缩机等各种场合得到应用，而随着科学技术的发展，特殊要求越来越多，它的应用也会越来越广泛。

2、随着汽车工业混合动力汽车的发展，体积小，重量轻的高速发电机将会得到充分的重视，并在混合动力汽车，航空，船舶等领域具有良好的应用前景。

3、由燃气轮机驱动的高速发电机体积小，具有较高的机动性，可用于一些重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，弥补集中式供

电的不足，具有重要的实用价值。

由于高速电机转子上的离心力与线速度

的平方成正比，高速电机要求具有很高的机械强度；

又由于高速电机频率高，铁耗大，在设计时应适当降低铁心中的磁密，采用低损耗的铁心材料。

轴承的研究也是与高速电机密不可分的内容，因为普通轴承难以承受在高速系统中承受长时间运行，必须采用新材料和新结构的轴承。

目前人们正在研究的类型有气动轴承及磁力轴承。

高速电机可以有多种结构形式，如感应电机、永磁电机和磁阻电机等。

电机在高速旋转时的离心力很大，当线速度达到200m/s以上时，常规

叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子。

在转子动力学发展的近百年的历史中，出现过很多计算方法，发展到今天，现代的计算方法主要可以分为两大类：

传递矩阵法和有限元法。

有限元法的运动方程表达方式简洁，规范，在求解转子动力学问题或转子和周围结构一起组成的复杂机械系统的问题时，有很多优点。

有限元法对复杂转子系统剖分庞大，计算结果比传递矩阵法准确，然而计算耗时长，占用内存大。

现代计算机技术的发展，给有限元法提供了良好的硬件技术，目前，有限元方法得到了广泛的应用。

总而言之，国外对高速电机及相关技术的研究比较早，已经取得了很多的研究成果，而且随着新材料的不断出现，加工工艺的不断改进，技术必将以更快的速度向前推进。

国内对高速电机的研究还不是很多，基本上限于功率较小的发电机或电动机。

二、永磁材料介绍及永磁电机

永磁材料是指经外部磁场饱和充磁后，无需外部能量而提供磁场的一种特殊材料，也称硬磁材料。

最早的永磁材料是磁铁矿，在最初的电机中，人们利用磁铁矿石建立所需要的磁场。

随着科学技术的进步，永磁材料近年来开发很快，出现了性能各异的永磁材料。

衡量永磁材料的好坏，主要是根据它的剩磁磁密Br、矫顽力He、最大磁能积（BH）max和回复系数以及机械加工性能和稳定性等。

现有铝镍钻、铁氧体和稀土永磁体三大类。

永磁电机的优点有：

一是取消了励磁系统损耗，提高了效率。

二是励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠。

三是电机的尺寸和形状灵活多样，体积小。

由于电子技术和控制技术的发展，永磁电机的控制技术亦已成熟并日趋完善。

以往电机的概念和应用范围已被当今的电机大大扩展。

可以毫不夸张地说，永磁电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。

通过对感应电机和同步电机的电磁、热和机械方面的比较，指出永磁电机是应用在高速电机的最佳选择。

三、高速永磁电机

一是由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于功率普通的电机，可以有效的节约材料。

二是可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小。

三是由于高速电机转动惯量小，所以动态相应快。

高速永磁电机与普通的电机相比具有以下以下优点：

1、高速永磁电机的转子一般比较细圆长，因而电机具有的转动惯量小，动态响应快的优点。

2、由于电机本身的转速较高，单位体积所产生功率大，和功率相等转速低的电机相比体积要小很多，这样在减轻电机重量的同时也减小了成本。

3、高速永磁电机可以直接与负载相连，既减小了整体设备的体积，又可以避免由系统中附加的变速装置引起的电机附加损耗、振动及噪声，而且还提高了整个传动系统的运行效率、运行精度和可靠性。

1・1・2课题研究的意义

由于高速电机具有转速高、电机尺寸小、功率密度大、效率高等显著优点，所以在以下各方面具有广阔的应用前景⑴：

1、高速永磁电动机已经在空调或冰箱的离心式压缩机、储能飞轮、速磨床、纺织等诸多场合得到越来越广泛的应用，而且随着高速永磁电机研发技术的深入，特殊要求越来越多，它的应用会越来越广泛。

2、高速永磁电机在航空、船舶、混合动力汽车等领域具有良好的发展

空间，尤其是在汽车工业领域，随着混合动力汽车的日益发展，体积小、重

量轻的高速发电机将会得到更充分的应用，高速永磁电机现在已经广泛应用于欧美国家的军工领域。

3、高速永磁电机在分布式发电系统中也有着很重要的作用。

永磁发电机本身体积特别小，当由燃气轮机驱动时，整个系统就会具有较高的机动

性，可用来为医院、宾馆及其它重要设施提供备用电源，也可作为独立的电源或小型发电站，弥补集中式供电方式的不足，具有较高的实用价值。

但是高速电机转速高，体积小，给电机的设计，损耗的计算到温升的计算及散热技术带来很大的问题，目前都没有得到很好地解决，还存在着众多的问题，制约着高速电机的发展。

因此对高速电机的电磁设计、特性分析、设计软件、损耗和温升计算、电机的冷却等关键问题进行系统的研究是非常必要的。

高速电机应用比较多的形式有高速电动机和高速发电机两种，高速电动机主要被用于空调和冰箱的压缩机和储能电池，在纺织行业也有大范围的应用，还有高速磨床也有它们的应用，在其他领域高速电机的应用也是比较广泛的，例如航天、航海还有陆地交通等方面的应用，而且随着科学技术的发展，在不同的场合，高速电机的应用将会也越来越广泛。

1.2无刷直流电机的发展

时至今日，无刷直流电机经历了半个世纪的发展，在电力电子技术、微电子技术、新型永磁材料以及新型控制理论的推动下，应用遍及医疗器械、航空航天、仪器仪表、计算机外设驱动、办公自动化及家用电器等方面，显示出广阔的应用前景和强大的生命力。

1.2.1电力电子技术的发展

电力电子技术特别是电力电子器件的发展对无刷直流电机及其控制的广泛应用奠定了坚实的基础。

自上世纪70年代以来，各种电力电子器件

层出不穷，发展异常迅速。

晶闸管（SCR）是五十年代出现的第一代功率半导体器件。

它是一种半控性器件，由晶闸管构成的静止变频电源要想实现变频调速必须配以强制换向电路才能可靠换流。

因此，控制线路复杂，效率低，可靠性差。

同时，晶闸管的开关频率低，变频电流中含有大量谐波成分，转矩脉动大，噪声及发热严重。

从上世纪八十年代开始，以全控化、集成化、高频化为特点的现代电力电子技术得到迅速发展，各种高频、大电流、高可靠性的全控型功率器件，如门极可关断晶体管（GTO）,大功率晶体管（GTR），功率金属氧化物场效应管（POWERMOSFET），静电感应晶体管（SIT）等先后问世。

其中的MOSFET是单极性电压控制器件，不但具有场控自关断能力，而且具有输入阻抗大、管压降小、工作频率高、无二次击穿现象、安全工作区

域宽、热稳定性好及驱动电路简单等优点，在小功率场合应用极广。

八十年代后期开始，高频高压大电流的新型复合器件的发展成为电力半导体发展的重要方向，其中尤以门极绝缘双极性晶体管（IGBT）最为突出，在各个领域中有取代其它全控器件的趋势。

IGBT集MOSFET和GTR的优点

于一身，具有电压性控制，输入阻抗高，驱动功率小，开关损耗小，工作频率高，器件容量大等特点，并且驱动简单，保护容易，这些都使IGBT

在实际应用中具有了更大的吸引力。

是一种理想的新型功率半导体器件。

集成门极换向晶体管（IGCT），电子注入增强栅晶体管（IEGT），MOS门极控制晶闸管（MCT）等功率器件进一步丰富了电力电子器件应用的范围。

IGCT是在GTO基础上发展而来的，开通时相当于晶闸管，关断时相当于晶体管，有效协调了通态电压和阻断电压的矛盾；

IEGT兼有IGBT

和GTO两者的优点：

低的饱和压降，宽的安全工作区，低的栅极驱动功率以及较高的工作频率；

MCT具有如晶闸管般良好的通态特性，优良的开通和关断特性，耐压高等特点，成为电力装置和电力系统中高压大功率器件的发展方向。

九十年代中期出现的智能功率模块（IPM）是将IGBT与

其驱动电路、控制电路和保护电路集成在一个模块内。

是功率器件发展的一个重要分支。

目前，发达国家正在向第三代功率半导体器件-功率集成电路（PIC）方向发展。

与IPM相似，PIC包含一组功率器件以及一组独立的功能电路。

PIC不但能提供一定的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能，这使装置性能和可靠性得到很大的提升。

1.2.2新型永磁材料的发展

稀土永磁材料的出现对无刷直流电机的发展起着强有力的推动作用。

采用稀土永磁体的无刷直流电机不仅保持了一般无刷直流电机的优点，如可靠性高、维护方便、结构简单、散热容易、转速不受机械换向限制、噪声小等，而且还具有以下优越性：

1、由于稀土永磁材料的高磁能积，使得电机可明显降低重量、减小体

积；

2、稀土永磁材料的矫顽力高，剩磁大，因而可以产生很大的气隙磁通，大大缩小了永磁体转子的外径，从而减小转子的转动惯量，降低时间常数，改善电机的动态特性。

同时，在保持一定气隙磁感应强度的条件下，气隙宽度可以选取较大值，这样可以减小由于齿槽效应引起的转矩波动，也可以抑制电枢反应对转矩波动的影响[20];

3、稀土永磁材料的内禀矫顽力极高，磁场定向性好，因而容易实现在

气隙中建立近似于矩形波的磁场，电机可设计成方波电机，当与120°

导

通型三相逆变器相匹配，可实现方波驱动，从而可有效地减少力矩波动，同时提高电机的出力。

而且，电枢反应对稀土永磁体的去磁作用较小，故稀土永磁无刷直流电机更适合突然反转、堵转驱动等特殊运行场合的性能要求；

4、稀土永磁材料的去磁曲线是线性、可逆的，该特性给稀土永磁无刷直流电机的工作点计算带来方便，简化了磁路设计和磁场分析方法。

由于稀土永磁无刷直流电机具有上述一系列优点，因而，其用途更广泛，特别适合于对性能、体积、重量要求更高的场合。

1.2.3DSP的应用

模拟驱动控制系统由模拟器件构成，系统只能实现简单的控制，功能单一，而且由分立器件构成的系统精度不高，温漂严重，已经不适合现代工业发展的需要。

在以前对电机的控制策略还不丰富，控制算法还不复杂的时候，人们普遍使用一些8位或16位的微控制器来充当系统的主控制器，比如Intel公司的51和196系列，微芯公司的PIC系列等。

随着控制策略和算法的复杂化，传统的微控制器已经很难胜任这样复杂的工作了。

随着半导体技术的长足发展，数字信号处理器（DSP）的出现为人们提供了一个新的硬件平台解决方案［23］。

DSP是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴技术⑺。

其基本功能是快速读入数据并对这些数据进行复杂的计算和处理，并实时输出运算的结果。

DSP处理器往往包括多个空

间并能同时访问这些空间。

先进的数据并发存取技术和成熟的ALU（算术

逻辑单元）使DSP具有很强的实时数据处理能力。

DSP通常应用于音

频、视频或图象处理和工业控制。

另外在通信、雷达、声纳系统，以及生物医学等领域，DSP也可以说是无处不在。

到目前为止，DSP芯片的开发

商已经研制出多种DSP体系结构，其中很多都是基于嵌入式应用。

它们把很多微处理器常用的子系统（如UART、SPI、ADC等）都集成到DSP

的内核中。

同时其指令集也是DSP指令（执行数据的移动和运算）和传统微处理器指令的混合。

在电机控制领域，DSP体现出越来越突出的优势。

相对于传统的处理器而言，一个装有DSP芯片的嵌入式系统，在执行一些

复杂软件和高级算法方面，有着更高的效率。

在电机的数字控制系统中，早期的DSP主要用于控制算法的运算，现在，DSP可以处理几乎所有的

工作。

许多控制算法，包括自适应、多变量寻优、学习、自校正、神经网络、遗传算法和模糊逻辑，都可以用DSP实现。

对于许多系统，必须估计

系统参数，DSP有足够的能力在处理其它任务的同时进行系统辨识和参数估算。

在系统运行过程中，故障的诊断和保护功能是必不可少的，由DSP

作控制器的系统能够轻松地实现这些功能。

另外，在许多控制系统中DSP

还可以实现非控制功能，包括与上位机的通信、界面任务和总线操作协议等。

1.2.4控制策略

电机控制系统常用PID控制。

PID控制是连续系统中技术成熟且应用广泛的一种控制方法。

它的结构简单，不一定需要系统的确切数学模型，参数更易调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。

将它应用到数字系统中，通过软件予以实现，对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果。

故工程实践中多采用PID作为系统控制算法。

由于永磁无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，针对较高性能要求，近些年来，结合现代控制理论，提出了很多新型的电机控制方法。

如变结构控制、无传感器控制、智能控制等。

变结构控制由于具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物理实现简单等优点，无刷直流电机的位置伺服方式下的运行大都采用变结构控制。

从控制系统的成本、维护性、可靠性等方面来考虑，无传感器的传动系统对提高系统的可靠性和对环境的适应性具有更重要的意义，为国内外学术界高度重视，成为近年来研究的热点。

智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模糊控制、神经网络控制、专家系统等。

智能控制系统具有自学习、自适应、自组织功能等，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题。

综合永磁无刷直流电机的发展与现状，可以看出采用以微处理器为基础的数字控制技术，以现代控制理论为代表的控制规律，实现全数字化、智能化是未来高精度、高可靠性的永磁无刷直流电机控制的重要发展方向。

1.3高速电机的国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

高速电机的研究目前正在成为国际电工领域的研究热点。

在国外，高速电机的研究早己引起了许多科研院所以及公司的关注。

由于其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，因此可以有效地节约材料，动态响应较快，可减小噪音，提高整个传动系统的效率。

上世纪末以来由于军用和民用对高速电机的需求，英美等发达国家竞相开展了对高速电机的研究。

英国燃气发电设备有限公司专门从事开发研制燃气轮机驱动的高速发电产品的工作。

他们研制出一种盘式结构高速永磁发电机。

美国麻省理工学院（MIT）的电磁和电子系统实验室研究了5MW高速感