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低速电动车无刷直流电机的设计与分析
【摘要】：由于机动车尾气和工厂烟尘的排放，使得近几年雾霾天更加严重，空气质量越来越差，再加上我国能源资源的日益枯竭，使的环境问题越来越受到人们的关注。相比之下，低速电动车有着无污染、价格低等特点，因此低速电动车产业就成为发展绿色交通的一个重要手段。永磁无刷直流电动机（Permanent magnet brushless DCmotor，BLDCM）作为低速电动车用电机的一种，其具有结构简单、体积小、运行特性好等显著优点，广泛应用于家用电器、办公领域、工业自动化、航空航天等领域。同时由于我国的稀土资源非常丰富，这就为永磁无刷直流电机的生产提供了原材料。基于以上原因，本次针对永磁无刷直流电动机进行设计，并对其进行仿真和研究。
在对课题背景进行了简单分析的基础上，本文首先介绍了BLDCM的结构、系统组成、基本原理、并对其驱动系统加以介绍。其次，主要设计了一款额定电压60V、额定功率1.5KW、额定转速3600r/min的永磁无刷直流电机并制造了样机，然后用Ansoft软件中的Rmxpt模块进行了仿真实验，并用Maxwell2D模型进行有限元分析计算，对其特性曲线、转矩脉动等进行了简单的分析，在此基础上对BLDCM的驱动系统的硬件进行了选型和简单的设计，因为ST公司生产的STM32F051微型控制器性能稳定，外设接口多，具有较快的数据处理能力，本次设计选用它作为微型控制器。最后介绍了电机的试验测试平台和测试方法，并和其他电机进行了性能对比，验证了本次所做设计的准确性与可靠性。
【关键词】：
【学位授予单位】：河北科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TM33【目录】：
摘要4-5Abstract5-10第1章 绪论10-16 1.1 课题的来源背景以及研究的意义10-11 1.2 BLDCM 的使用范畴以及国内外研究现状11-12
1.2.1 BLDCM 的使用范畴11
1.2.2 无刷直流电机在国内的发展状况11-12
1.2.3 无刷直流电机在国外的发展状况12 1.3 永磁无刷直流电动机的特性12-13 1.4 课题研究内容13-16第2章 无刷直流电机的驱动系统介绍16-32 2.1 引言16 2.2 直流无刷电机的工作原理及基本结构16-23
2.2.1 直流无刷电机的工作原理16-19
2.2.2 无刷直流电机的基本结构19-22
2.2.3 直流无刷电机绕组结构22-23
2.2.4 直流无刷电机绕组连接方式23 2.3 功率变换电路分析23-26
2.3.1 电机模型23-24
2.3.2 三相半控桥功率电路24
2.3.3 三相 Y 连接全控型功率电路24-26
2.3.4 三相△连接全控型功率电路26 2.4 无刷直流电机的控制技术26-28
2.4.1 开环控制系统27-28
2.4.2 闭环控制系统28 2.5 BLDCM 与常用电机驱动系统的比较28-30
2.5.1 BLDCM 与异步机变频调速系统比较28-29
2.5.2 BLDCM 与传统直流机变频调速系统比较29
2.5.3 BLDCM 与步进电动机系统比较29-30
2.5.4 BLDCM 与开关磁阻系统比较30 2.6 本章小结30-32第3章 无刷直流电机理论分析32-42 3.1 无刷直流电机的简化模型32-37
3.1.1 基本假设和等效电路32-33
3.1.2 无刷直流电机机械特性的统一表达式33-36
3.1.3 理想空载点平均电流的研究36-37 3.2 考虑绕组电感时 BLDCM 的机械特性37-38 3.3 无刷直流电机的数学模型38-41
3.3.1 无刷直流电机的数学建模38-40
3.3.2 无刷直流电机的转矩方程和运动方程40-41
3.3.3 状态方程41 3.4 本章小结41-42第4章 无刷直流电机设计42-64 4.1 概述42 4.2 牵引电机的选择42-43 4.3 无刷直流电动机的总体设计步骤43 4.4 无刷直流电动机主要尺寸及参数的设计43-50
4.4.1 电机相数的选取43-44
4.4.2 电磁功率的选取44-45
4.4.3 电负荷与磁负荷的选取45-47
4.4.4 气隙的选择47
4.4.5 定子铁心内径的选择47-48
4.4.6 极弧系数 i的选择48
4.4.7 电流密度与槽满率的选取48
4.4.8 每相绕组匝数的选取48-49
4.4.9 电机结构尺寸的选取49
4.4.10 极数的选择49-50 4.5 永磁材料及结构的选择50-51 4.6 磁钢尺寸的设计51-52 4.7 磁路的设计52 4.8 电枢绕组的设计52-54 4.9 行星减速器的设计54-55 4.10 本次设计的具体过程55-62
4.10.1 电机设计的主要指标55
4.10.2 主要尺寸的确定55-56
4.10.3 定子结构的确定56-58
4.10.4 转子结构的确定58-59
4.10.5 磁路计算59-61
4.10.6 电枢绕组的设计61-62 4.11 本章小结62-64第5章 基于 ANSOFT 软件的有限元仿真64-72 5.1 Ansoft 有限元软件介绍64 5.2 二维有限元分析原理64-65 5.3 RMxprt 模型的建立及其曲线分析65-68
5.3.1 电机的建模及其相关设置65-67
5.3.2 电机曲线的分析67-68 5.4 电机 2D 模型建立及其性能分析68-71
5.4.1 电机建模及设置68-69
5.4.2 电机仿真结果及分析69-71 5.5 本章小结71-72第6章 无刷直流电机驱动器的硬件设计72-78 6.1 引言72 6.2 控制芯片的选用72-73 6.3 驱动环节73-74 6.4 过流保护电路74 6.5 欠压保护电路74-75 6.6 刹车控制电路75-76 6.7 微控制器 3.3V 供电电路76 6.8 本章小结76-78第7章 样机的调试试验78-84 7.1 电机测试平台78-80 7.2 电机空载试验80 7.3 电机负载试验80-81 7.4 本次设计电机性能的比较81-83 7.5 本章小结83-84结论84-86参考文献86-90攻读硕士学位期间所发表的论文90-92致谢92
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