单相无刷直流电机的齿槽转矩及控制系统研究

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1、工程硕士学位论文单相无刷直流电机的齿槽转矩及控制系统研究作者姓名袁子聪工程领域电气工程校内指导教师尹华杰教授校外指导教师彭颖卿高级工程师所在学院电力学院论文提交日期2018年4月ResearchonCoggingTorqueandControlSystemofSingle-PhaseBrushlessDCMotorADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YuanZicongSupervisor：Prof.YinHuajieS.E.PengYingqingSou

2、thChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TM351学校代号：10561学号：201521012224华南理工大学硕士学位论文单相无刷直流电机的齿槽转矩及控制系统研究作者姓名：袁子聪申请学位级别：工程硕士工程领域名称：电气工程研究方向：永磁电机的设计与控制校内指导教师姓名：尹华杰教授校外指导教师姓名：彭颖卿高级工程师论文形式：ꇶ产品研发ꇶ工程设计√应用研究ꇶ工程/项目管理ꇶ调研报告论文提交日期：2018年4月20日论文答辩日期：2018年6月3日学位授予单位：华南理工大

3、学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：蔡延光委员：杨向宇、程小华、尹华杰、赵世伟摘要与直流电机、单相感应电机和三相无刷直流电机相比，单相无刷直流电机在性能和成本方面更适合应用于风机、水泵、光盘驱动等对动态性能要求不高的小功率家用电器，但该类型电机存在起动死点和转矩脉动大等问题。为解决起动死点问题而引入的渐变气隙结构，使气隙磁密、反电动势和齿槽转矩波形发生畸变；另外，为补偿电磁转矩幅值的周期性降落，需把齿槽转矩波形设计为理想形状。然而，目前主流的电机分析软件仍没有现成的单相无刷直流电机模型。因此本文基于该研究背景，建立

4、单相无刷直流电机的气隙磁密和齿槽转矩解析模型，并搭建其控制系统仿真模型，以解决其起动死点和转矩脉动大等问题，具有重要的理论和现实意义。本文首先简述了单相无刷直流电机的优缺点，并从电机组成、非均匀气隙结构和控制算法三方面总结近年来的发展和研究现状。然后阐述单相无刷直流电机的工作原理和数学模型，并提出渐变气隙结构下的气隙磁密模型，有限元解验证了模型的正确性，并根据气隙磁密与反电动势间的线性关系，得到相应的反电动势形状函数。接着基于能量法提出渐变气隙结构下的齿槽转矩模型，并结合数值积分的复化梯形公式以提高计算精’度，有限元解验证

5、了模型的正确性，并得出δm、b、αp、Br和Lef等参数与齿槽转矩波形间的变化规律。最后结合所得的气隙磁密和齿槽转矩模型，基于Matlab建立转速、电流双闭环控制系统仿真模型，分析齿槽转矩与PWM调制方式对电机转速、电磁转矩、电流等参数的影响。研究表明：（1）与三相无刷直流电机相比，单相无刷直流电机的齿槽转矩幅值更大；（2）对于单相无刷直流电机而言，需结合实际工况将齿槽转矩设计为理想形状以减小转速抖动；（3）采用双管调制方式时，电流动态响应更快，转速抖动更小，有利于提高系统的鲁棒性。关键词：单相无刷直流电机；渐变气隙结构；

6、气隙磁密；齿槽转矩；控制系统IAbstractComparedwiththeDCmotor,single-phaseinductionmotorandthree-phasebrushlessDCmotor,single-phasebrushlessDCmotorismoresuitableforsmallpowerhouseholdappliancesintermsofperformanceandcost,suchasfans,pumps,CDdrives,etc.Butstartingdeadpointandtorque

7、ripplearethefatalproblemsforthistypeofmotor.Inordertosolvethestartingdeadpointproblem,thetaperedair-gapstructureisintroduced,whichdistortstheair-gapmagneticdensity,thebackEMFandthecoggingtorquewaveform.Inaddition,inordertocompensatefortheperiodicdecreaseoftheelect

8、romagnetictorqueamplitude,thecoggingtorquewaveformshouldbedesignedasanidealshape.However,thesingle-phasebrushlessDCmotormodelisstillnotavailableincommon