随着电力电子技术与微电子技术的蓬勃发展,无刷电机被广泛应用在高性能控制系统中,人们不断探索新型电机,以提高电机性能。空心杯电机与以往的电机不同,使用无槽无铁芯的空心杯绕组,突破了传统电机铁芯结构,具有突出的节能性能和拖动特性,成为电动机未来发展方向之一。随着人们对空心杯电机的开发和研制,其制造水平和应用技术不断提高,目前,空心杯电机已经成熟应用在高科技、军事、航空、航天领域等产品中,同时,在日常生活、工业生产等民用领域的许多产品中也得到广泛应用。本文给出一种同时使用磁路计算与有限元结构优化的空心杯无刷电机设计方法,通过有限元电机结构优化,改善气隙磁场密度波形,使电机运行更加平稳,转矩波动更小。同时,为了测试电机性能,本文还设计了一种采用霍尔传感器检测电机位置的SPWM控制器,该电机控制器具有成本低,响应速度快,稳定性好等特点。论文主要进行如下研究:第一,在掌握空心杯无刷电机的系统及工作原理后,确定了空心杯电机设计总体方案,介绍了等效磁路法计算磁路过程及原理;从多方面阐明了气隙长度,永磁体厚度,长径比等参数的取值原则,由电机尺寸关系式,计算出电机主要尺寸,给出了空心杯电机斜绕组设计和计算过程,实现空心杯无刷电机初步设计。第二,建立空心杯电机二维有限元模型,通过静态、动态磁场分析,对比了空载与负载时电机电枢反应对气隙磁场的作用,然后通过电机结构优化改善电机气隙磁场,最后通过电磁计算,工作特性分析确定电机的额定工作点。第三,选择正弦波无刷空心杯电机控制策略,并完成模糊PI转速控制器与PID电流控制器设计,阐述了SPWM调制方法与霍尔传感器转速、位置估算算法;然后通过MATLAB仿真分析,分析了速度控制调速性能和不同阶次转速、位置计算算法的误差;最后,采用单片机和SPWM信号发生器同步串行实时通信的方式实现空心杯无刷电机控制器SPWM调速控制。第四,在完成电机试制和安装之后,检测电机基本参数证明空心杯设计方法的正确性,通过检测控制器输出三相电压波形,霍尔信号波形和电机速度波动验证控制器控制策略和调速特性。