闭合绕组永磁无刷直流电机的理论分析

为了保持传统直流电机调速范围宽、调速平滑、过载能力高等优点，同时克服机械换向和电励磁造成的效率低、可靠性差等问题，基于博士和博士后研究，本项目提出闭合绕组永磁无刷直流电机的理论分析，研究电机存在的问题、拓展控制方法、实现优化设计。针对闭合绕组永磁无刷直流电机的特殊结构和驱动器，研究其换向暂态过程和支路环流，避免换向对电力电子开关的冲击以及环流造成的电机性能降低。由于该类电机的特殊控制方式，针对不同电机结构，制定相应的控制策略，可实现对支路中线圈数的控制，减小电机串联总匝数，实现电机的扩速新方法。利用现有开路绕组的无传感器控制方法和闭合绕组物理量变化规律，探索适用于该电机的无传感器控制。为了快速、合理、准确地实现电机优化，研究基于差分进化算法和有限元时步法电机约束条件的多目标优化，实现电机的优化设计。从而，对所提出的闭合绕组永磁无刷直流电机建立一个较全面的理论框架和实验支持，扩展电机的应用。

提出闭合绕组永磁无刷直流电机，并进行了电机原理、建模仿真、暂态分析、环流分析、扩速新方法、基于遗传算法的优化、无传感器控制的研究和探索。电机采用了永磁体励磁、电子换向和绕组闭合连接。通过控制电子电子开关管的状态，可使N极或S极下线圈的电流方向保持不变。样机的分析和实验都验证了，闭合绕组永磁无刷直流电机的运行特性与直流电机相同，而且效率有明显提高，如200w样机在额定运行时整个系统的效率可达84%。. 对表面式永磁体结构通过求解标量磁势的微分方程和保角变换等解析地得到了电机的气隙磁密；对内置式永磁体，建立了复杂磁路网络模型，计及铁芯饱和dq轴磁路耦合。结合控制线路，建立了闭合绕组永磁无刷直流电机的场路耦合模型。利用所建模型，实现暂态仿真，与有限元的误差很小。由仿真和实验可知，电机换向暂态过程中，二极管和开关管上的电压和电流都在正常范围内，并不会造成冲击。为了避免误差，利用有限元分析了极数、槽数、槽开口宽、槽开口高、槽肩高、定转子轭、永磁体等对环流的影响。发现为了减小环流，应调整参数使线圈反电势呈现平顶波，因此齿尖的形状影响很大，而永磁体尺寸、转子轭部等几乎没有影响；另外，当槽数是偶数时，即使反电势波形出现变形，也能消去环流。. 针对闭合绕组永磁无刷直流电机的特殊结构提出了一种新的扩速方法。由于电机绕组多边形闭合连接，而且每个电子开关管独立控制，因此通过导通不同的开关管，使得串联的线圈数减少，实现电机调速范围的扩大。对10 极11槽样机，除了11个工作线圈的运行方式外，还实现了8或6个工作线圈的运行方式，实现电机扩速。并分析了电机扩速运行时的特性，最后利用实验进行了验证。. 将差分进化算法和有限元时步法结合，编写了电机的优化算法。将定子内径和外径、永磁体大小、齿部尺寸等作为优化变量；最小输出功率、效率等作为约束；而优化目标则为转矩密度和费用两个相悖的目标。最终得到了一台性能相同、但体积小、费用少的新电机。由于电机优化过程中采用有限元时步法计算，对于一个方案的计算耗时非常大。为了提高优化效率，对于优化变量的优化范围，需要合理设定。. 利用检测线圈电压的过零点，探索了闭合绕组永磁无刷直流电机的无传感器控制算法，通过实时检测将要进行电流换向线圈的电压过零点，实现无传感器控制，并与有传感器控制进行了比较，电流波形相似。