电动工具用高速开关磁阻电机一体化设计.docx

摘要: 开关磁阻电机在结构性能等方面具有很大的优势，可以达到超高转速，因此与电动工具结合应用，可以为实际生活带来很大的便利，能大大减少成本，符合我国低碳、环保的产业环境友好型的发展方向，具有重要的社会意义。基于这一需求，本文就致力于将高速开关磁阻电机应用于电动工具中的研究。            

本文首先介绍了高速开关磁阻电机和电动工具研究背景及意义，对比了各种电机在国内外的发展现状和各种电动工具用电机并研究了开关磁阻电机的相关原理，对SR电机线性化模型的分析，得出电机各种控制参数的改变对相电流，相电压波形的影响。此外，还介绍了SR电机的三种控制方式，为后面具体的开关磁阻电机系统的研究奠定基础。

在以上基础上设计了一台转速17000r/min，额定功率1kW的高速三相开关磁阻电机。首先应用经验公式对电机参数预设计，利用Ansoft有限元分析仿真软件对样机进行磁场分析及结构参数优化。其次从驱动系统系统的四个部分入手，选择了最适合于本系统的高换相性能功率变换电路，并设计了驱动电路，控制器及位置信号检测电路等硬件电路。最终完成一体化设计，验证了这次系统设计的合理性和正确性，达到了预期的要求。

关键词：开关磁阻电机，电动工具，Ansoft，电磁分析，结构优化

目  录

摘  要

ABSTRACT

第一章 绪论-8

1.1研究背景及意义-8

1.2电动工具用电机的介绍-8

1.3高速电机的研究现状-9

表1-1 国外高速感应电机研究现状-9

表1-1 国外对高速永磁电机研究现状-9

1.4 本文的主要内容-10

第二章  SR电机理论分析-11

2.1 开关磁阻电机的构造和原理分析-11

2.2 开关磁阻电机的基本方程-13

2.2.1 电压方程-13

2.2.2 转矩方程-13

2.3 开关磁阻电机的线性分析-13

2.3.1 电感分析-14

2.3.2 电磁转矩分析-14

2.3.3 相电流分析-15

2.4 开关磁阻电机的控制方法-17

2.4.1  PWM电压斩波控制-17

2.4.2 电流斩波控制-17

2.4.3 角度位置控制-18

第三章 电动工具用高速 SR 电机设计-19

3.1 高速 SR 电机结构选取-19

3.2 高速 SR 电机本体设计-19

3.2.1  主要尺寸计算-19

3.2.2  绕组参数设计-20

3.2.3 电机其他尺寸-20

3.3样机设计-21

3.4 有限元分析法介绍-24

3.5电机的专家模块分析-24

3.5.1 电机的静态分析-26

3.5.2 电感特性-26

3.5.3 磁链特性-27

3.5.4矩角特性-28

3.5.5 转子各角度磁力线分布-28

3.5.6 电机的瞬态分析-30

第四章 高速SR电机的结构优化-32

4.1 结构参数对转矩波动的影响-32

4.1.1 转子外径的影响-32

4.1.2 定子外径的影响-32

4.1.3 气隙的影响-32

4.1.4 绕组匝数的影响-32

4.1.5 定转子极弧的影响-32

4.2 定转子极弧的优化-32

4.2.1 转子极弧的优化-32

4.2.2 定子极弧的优化-33

4.2.3 多参数优化-33

4.3 气隙的优化-35

4.3.1定子内径参数化-35

4.3.2 转子外径参数化-35

4.4 本章小结-37

第五章 高速SR电机控制系统硬件设计-37

5.1 控制系统硬件电路总体设计框图及方案-37

5.2  SR 电机功率变换器主电路设计-38

5.2.1  功率变换器主电路选用原则-38

5.2.2  功率变换器主电路换相性能分析-39

5.2.3  本实验系统功率变换器主电路选取-39

5.2.4 三开关功率变换器主电路仿真-39

5.3驱动电路设计-48

5.4 辅助电源电路设计-49

5.5 位置信号检测电路设计-51

5.6 电流检测及保护电路设计-52

5.7速度闭环及 PWM 调压电路设计-53

5.8 实验结果及分析-54

5.8.1  高速 SR 电机负载运行实验-54

5.9 本章小结-57

第六章 全文工作总结及展望-58

6.1 全文工作总结-58

6.2 进一步研究展望-58

参考文献-59

致  谢-61