电子换向永磁同步直流电机是一种无接触化换向的直流电机,其控制系统能够真正模拟传统直流电机电枢绕组电流换向,即能够利用电子开关器件代替机械换向器对单个线圈进行换流,当转子永磁体旋转而N极-S极交替的扫过线圈时,线圈中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向,始终保持特定永磁磁极下线圈电流方向不变,从而使电磁转矩的方向始终保持不变,继而使电机持续旋转。电子换向永磁同步直流电机与传统直流电机不同之处在于它是电子换向系统,真正实现了无接触式换向;而与近代BLDC不同则在于电枢绕组采用直流绕组,且具有更多的换向单元,以构成更接近传统直流电枢绕组电路的直流电子换向电路。然而目前对电子换向永磁同步直流电机的研究无论是电机理论还是电磁设计方法,皆处于初始研究阶段。本论文正是在这一背景下对电子换向永磁同步直流电机进行了深入拓展研究,主要提出了四个创新点:设计了一种适用于大力矩输出场合的电子换向蛙绕组永磁同步直流电机;提出了基于全局解析法的永磁同步直流电机快速电磁设计新流程;提出了基于减少永磁电机有效线圈数原理的超前偏移导通扩速新方法;统一了永磁同步直流电机电子换向导通逻辑与传统直流电机机械换向规律的对应关系。围绕这四个创新点,本文进行了一系列差异化拓展研究,主要内容概括如下:第一,将传统直流电机的单蛙绕组与电子换向永磁同步直流电机理论相结合,提出了一种电子换向蛙绕组永磁同步直流电机。由于其单叠、双波绕组互为均压线,且为四层闭合多边形绕组,相比单叠、单波绕组电子换向永磁同步直流电机,改善了换向并具有较强的容错能力。第二,现有电子换向永磁同步直流电机的前期设计以磁路法为主,其应用建立在电机结构和参数简化的前提之上,为快速、准确的在电机设计前期确定电磁设计方案,同时便于实现对电机性能的优化,提出了以齿槽转矩最小化方法为指导思想,并能简便估算齿、轭磁密大小以校核磁密限制条件的全局解析法电磁设计流程,编写了程序,将气隙磁场、齿轭磁密、齿槽转矩等计算结果与有限元法进行了对比,验证了该设计流程的有效性。第三,由于电子换向永磁同步直流电机摒弃了机械自然换向装置,且绕组中电流并非自然过零的正弦交流,而现有的通过切除工作线圈实现扩速的方法可能因换向单元组自身电感特性导致延迟换向或环流,在高速、大电流运行时,功率开关器件存在烧损的风险,因此受传统直流电机改善换向方法的启发,提出了超前偏移导通逻辑实现电机扩速的新方法。第四,为体现电子换向蛙绕组永磁同步直流电机的研究意义,明确其为直流电机的本质,基于构建的FPGA驱动控制系统平台,对其机械特性、调节特性、电流转矩特性以及效率特性等进行了重点考察,并进行了相应扩速实验的研究。实验结果表明电子换向蛙绕组永磁同步直流电机成功模拟了传统直流电机的运行,并能较为方便地实现扩速。最后,电子换向永磁同步直流电机作为一种传统直流电机无刷化的产物,在无刷电机朝着更高性能发展时,给予了电机工作者以更开阔的视角来理解历史所赋予的使命。目前相关研究还比较少,本文取得的相关成果为今后电子换向永磁同步直流电机的拓展设计、电磁场分析及样机实验提供了有力参考。