高速永磁无刷直流电机具有效率高、功率密度大等优点,因此在涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域有着广阔的应用前景,成为各国学者的研究热点。高速永磁无刷直流电机设计牵涉到转子损耗、轴承技术、转子动力学、等电磁技术与机械技术,必须重点考虑。高速永磁无刷直流电机正因为功率密度大、体积小,其损耗密度也很大,因此电机的温升往往比较高,所以当霍尔元件这一类的位置传感器安装在电机内部时往往无法正常工作。另外,位置传感器的使用也会受到体积上的限制。在功率较大的电机中,位置传感器信号也容易受到干扰。此外,永磁无刷直流电机高速运行时通常需要不同程度的超前触发控制,但直接使用转子位置信号进行换相时无法实现可变的超前触发控制。为了解决位置传感器带来的各种缺陷,许多学者开展了无传感器控制技术的研究,其主要思想是利用电机绕组中的有关电信号,通过适当的方法估算出转子的位置和转速,以此来取代转子位置传感器。在各种转子位置和速度的检测方法中,最常用的是通过检测每相反电势或三次谐波反电势来获得转子的位置信息。每相反电势法容易实现,但续流二极管导通引起的电压脉冲将干扰该信号。尤其是在高速、重载、或者绕组电气时间常数大等情况下,续流二极管导通角很大,此时通过检测每相反电势过零点的方法并不适合无位置传感器运行。相对于每相反电势法,三次谐波反电势法不受二极管导通角和逆变器PWM斩波的影响,对滤波器要求低,有更宽的调速范围。本文针对一台80,000r/min,15kW的高速永磁无刷直流电机及其基于三次谐波反电势的无位置传感器控制策略,研究了电机设计和控制的若干重要问题。1、研究了不同定子结构对三次谐波反电势的影响。对3齿2极和6齿2极集中绕组结构进行了对比研究,前者由于三次谐波的绕组系数为0,其相绕组中并不包含三次谐波反电势,因此其磁链和相反电势接近正弦分布,故不适合应用三次谐波反电势控制。后者的三次谐波绕组系数为1,其磁链和每相反电势包含大量的三次谐波,其波形远远偏离了正弦分布,因此适合三次谐波反电势控制,但基波绕组系数为0.5,绕组得不到充分利用。结合以上两种结构的优缺点,对不同齿宽(注：小齿为辅助齿)的6齿2极结构进行了研究,发现该结构既能利用三次谐波反电势控制,又能提高绕组的利用率。同时,也对各种结构电机的电感与单边磁拉力进行了对比分析。分析表明,由于3齿2极和不等齿宽6齿2极结构均具有空间不对称性,在电机运行时,具有较大的单边磁拉力,电机的噪声较大,影响轴承的寿命。因此最终采用等齿宽6齿2极集中绕组的对称结构。2、研究了转子结构对电机气隙磁场三次谐波和三次谐波反电势的影响。对电机中的气隙磁场进行有限元分析与解析计算。在采用表面粘贴磁瓦时,随着极弧系数的减小,气隙磁场的分布越来越偏离正弦,气隙磁场中的三次谐波也会相应地增加。这有利于增大每相反电势中的三次谐波。但同时,气隙磁场中的基波随永磁体极弧系数的减小而减小。由于气隙磁场的畸变增加了气隙磁场中的谐波,使电机定子铁耗增大,将影响电机的性能。因此,为了提高气隙磁场中的三次谐波同时又不减小气隙磁场中的基波,采用“平行充磁且每极分两块”的结构。对不同的转子磁瓦分块数的气隙磁场进行分析,可知随着分块数的增加,气隙磁场分布趋于径向充磁结构的分布,接近方波。随着分块数的增加,气隙磁场中基波分量也随之增加,但当每极转子分块数为2块时,气隙磁场中的三次谐波最大。因此为了提高利用三次谐波反电势控制时的抗干扰能力,采用转子每极磁瓦分块数为2的结构。对“平行充磁且极弧系数小于1”、“平行充磁且每极磁瓦分两块”、“径向充磁且极弧系数为1”共三种转子结构进行了研究。研究发现“平行充磁且极弧系数小于1”、“平行充磁且每极磁瓦分两块”这两种结构均能在电机相绕组中产生足够大的三次谐波反电势。其次,由于转子损耗在中、低速无刷直流电机中往往是可忽略的,但是在高速无刷电机中比较严重,能引起转子永磁体过热和不可恢复性退磁。因此,对三种不同的转子结构引起的额定负载转矩下的转子涡流损耗进行了对比研究,结果表明：“平行充磁且极弧系数小于1”结构引起的转子涡流损耗小于“平行充磁且每极分两块”的结构,“径向充磁且极弧系数为1”结构的转子涡流损耗小于“平行充磁且极弧系数小于1”和“平行充磁且每极分两块”的结构。但“径向充磁且极弧系数为1”的结构应用较少,永磁体充磁时需要专门的工装夹具,加工困难。“平行充磁且极弧系数小于1”结构和“平行充磁且每极分两块”的结构容易实现。3、研究了基于三次谐波反电势的无位置传感器超前触发控制。利用三次谐波反电势控制时,用比较器产生的过零点信号与电机触发信号密切相关。在实际系统中并不能确保比较器产生的过零点信号并不包含噪音信号。如果信号中噪音信号被控制系统误认为有效信号,将导致错误的换向信息,并且一旦产生一次错误的换向状态,将导致整个控制系统的崩溃。因此为了滤除噪音信号,有必要从软件上进行数字滤波,判断是否真正的发生信号跳变。采用数字滤波,必然导致信号滞后,进而引起电机的滞后换相。滞后的时间与数字滤波的深度有关。对于高速电机,将产生较严重的滞后。由于数字滤波引起滞后触发,电机电流变大,同时整个系统的功率因数、效率、功率输出能力降低、电机的温升更严重,对电机的冷却系统也提出了更高的要求,因此有必要采取超前触发控制。电机运行时,由于转子转动惯量的作用,其电周期不会发生突变,可以认为前一个换向周期的时间基本等于后一个换向周期,因此,如果知道前一个换向周期的时间,同时知道由于数字滤波产生的滞后时间,然后用延时导通来实现下一拍换相的正常触发控制甚至超前触发控制,研究表明超前触发可以明显的提高系统地功率因数、效率、输出功率,同时减小了损耗。在论文的科研工作中,解决了以上电机设计与控制方面的重要问题,并制作了样机。相关实验也证明了理论分析、设计措施与控制方法的正确性。