外永磁转子高速方波爪极电机及其无位置传感器控制研究

Recently the problem of excessive energy consumption and serious environment pollution are increasingly outstanding, energy saving has been involved in seven strategic emerging industries. The air compressor is widely used in more industrial areas, its electricity consumption representing more than 10% of the national generation, but the air compressor driven by high speed motor can remove gearbox, so its volume can decrease by 60-70%, and saving over 20% energy. Hence, the exploration and research of high speed motor and its key technologies, which have advantages of high reliability, efficiency and integration, become research focus of home and abroad. Based on preliminary study, the outer PM rotor claw pole high speed motor with square wave supply is proposed. It not only has all the advantages of conventional high speed PM motor, but also easily realizes integrated design due to outer rotor,so the high reliability and small size can be obtain. The limits of inverter maximum frequency are broken by square wave supply, so the motor speed is increased, and it has broad application prospects. In this project, the complete theoretical system of this kind of novel machine will be established through by the research on loss calculation at stator and rotor, ventilation and cooling, dynamics analysis, optimal design method and control strategy. The project research not only has important engineering application value, but also implies very important scientific significance due to its theoretical research achievements and the solved scientific problems.

近年来能源消耗过大和环境污染严重的问题日益突出，节能减排已被国务院列入七大战略新兴产业。空气压缩机在工业领域应用广泛，其用电量占全国总发电量的10%以上，而高速电机直驱的空压机可省去增速齿轮箱，体积缩小60-70%，节能20%以上，因此探索开发采用新材料和特殊结构的高效率、高集成度和高可靠性的高速电机及其控制技术已成为国内外的研究热点。在前期研究工作基础上，本项目提出了一种外永磁转子高速方波爪极电机，不仅具有传统高速永磁电机的所有优点，而且外转子结构便于实现空压机的一体化集成设计，减小了体积，提高了可靠性，采用方波供电能够突破变频器调制频率限制，提高电机转速，应用前景广阔。本项目将在定转子损耗计算、通风散热技术、动力学分析，优化设计和控制策略等方面进行研究，建立该电机完整系统的理论体系。项目研究不仅具有重要工程应用价值，且其理论研究成果和所解决的科学问题，亦具有非常重要的科学意义。

高速永磁电机作为高速驱动系统的核心部件，具有体积小、效率和功率密度高，已成为高端装备制造领域研究热点之一。在高速压缩机与风机系统飞轮储能系统和石化产品加工等领域应用前景广阔。本项目提出了一种外永磁转子高速方波爪极电机，不仅具有高速永磁电机的优点，且外转子结构便于实现空压机的一体化集成设计，采用方波供电能够突破变频器调制频率限制，提高电机转速。针对高速永磁外转子爪极电机电磁性能分析理论、机械强度与动力学特性分析方法、磁场解析与损耗计算模型与综合设计方法等方面开展研究工作，主要研究内容如下包括：.(1)建立了能够反映电机内部能量流通特点的等效磁电模型，考虑了电机复杂漏磁通与磁路饱和等非线性因素影响。分析了该类电机感应电动势和齿槽转矩，研究了电机主要尺寸与上述性能指标的关系，为该类电机电磁设计与性能分析提供了理论依据。.(2)对外转子轭部和永磁体在离心力及温度变化影响下的应力场进行计算，分析了极弧系数、永磁体间填充和永磁体分块对转子应力分布的影响；采用有限元方法分析了轴向长度、轴承刚度和陀螺效应等因素对外转子临界转速与模态特性的影响。.(3)采用三维正交磁化模型近似等效旋转磁化，建立了定子爪极铁耗计算模型；然后利用有限元方法验证了模型的准确性并分析了转子转速、转子表面光滑度、轴向风速等因素对空气摩擦损耗的影响；建立了考虑临近效应和趋肤效应影响的定子绕组铜耗计算模型；最后对永磁体涡流损耗、轴承摩擦损耗进行了研究，并通过有限元和试验方法对所提出的损耗计算模型进行了验证，为该电机温度场分析和冷却散热技术研究提供了理论依据。.(4)对爪极电机基于方波驱动无位置传感器控制方法进行研究；设计并研制了适用于高速永磁爪极电动机的反电势法无位置传感器的控制器，通过实验波形和实验数据，证明了控制系统的工作性能达到了设计要求。. (5)针对高速永磁外转子爪极电机提出了基于多物理场综合分析方法的高速永磁外转子爪极电机设计方法。设计并研制了一台3kW的试验样机，并对电机参数、空载特性和负载特性进行了试验研究，验证了设计理论与方法的正确性，为外转子高速电机的推广应用提供了可靠的理论基础。.本项目建立了该电机完整系统的理论体系,研究成果不仅具有重要工程应用价值，且其理论研究成果和所解决的科学问题，亦具有非常重要的科学意义。