【正文】 電機(jī)的設(shè)計(jì)要考慮電樞繞組與換向驅(qū)動(dòng)的組合方式以及位置傳感器形式，然后才能對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁路和電路系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要以電機(jī)的電流，電感等參數(shù)為依據(jù)。同時(shí)滿足工作穩(wěn)定可靠，線路功耗小，壽命長(zhǎng)等要求。 采用的方法：磁路計(jì)算仍采用場(chǎng)化為路的經(jīng)典法，電路計(jì)算時(shí)作了如下假設(shè)(a)認(rèn)為由轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)是按正弦波分布的．對(duì)于氣隙中某一固定點(diǎn)，在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)該處磁密在時(shí)間上按正弦規(guī)律變化， （b)忽略電樞繞組的電感。這對(duì)分析由直流源供電的小功率無刷直通電動(dòng)機(jī)是可行的，而分析由逆變器供電的大功率無刷直流電動(dòng)機(jī)則誤差較大，尤其是對(duì)于氣隙磁場(chǎng)分布接近方波及方波電壓驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析，若仍沿用上述方法，其計(jì)算結(jié)果和實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。1)大功率無刷直流電動(dòng)機(jī)繞組電感大小對(duì)電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩影響較大，尤其是高速無刷直流電動(dòng)機(jī)，繞組電感會(huì)使電機(jī)機(jī)械特性．客觀感、呈現(xiàn)下凹曲線，呈非線性。因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，不能忽略電感影響；2)逆變器供電的無刷直流電動(dòng)機(jī)．為了消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，希望使氣隙磁場(chǎng)分布波形180度，不過這是做不到的，只可能是盡可級(jí)的接近180度。3）大功率無刷直流電動(dòng)機(jī)除采用直流電機(jī)設(shè)計(jì)法外，還可用交流同步電機(jī)理論和設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行分析，這是因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)本體是一臺(tái)永磁同步電機(jī)，采用同步電機(jī)理論分析中的矢量方法，可反映出無刷直流電動(dòng)機(jī)本身的一些內(nèi)部特性，從而可得到功率因數(shù) 定子漏抗、交、直軸電抗等參數(shù)。4）對(duì)于方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)，計(jì)算電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩等性能時(shí)，可以利用電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的周期性，在某一換向周期內(nèi)，對(duì)應(yīng)具體的驅(qū)動(dòng)方式．建立正確的數(shù)學(xué)模型，并采用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算上述幾種方法設(shè)計(jì)無刷直流電動(dòng)機(jī)各有特點(diǎn)，直流設(shè)計(jì)法最簡(jiǎn)單，人們也很熟悉。交流設(shè)計(jì)法可得到直流設(shè)計(jì)時(shí)無法得到的一些電機(jī)參數(shù)，為驅(qū)動(dòng)控制線路提供必要的參考。計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算可以精確地計(jì)算電流、轉(zhuǎn)短、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)，計(jì)算模型比較接近電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況。因此，這三種設(shè)計(jì)方法是可相互補(bǔ)充，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的研究對(duì)象、選擇不同的設(shè)計(jì)方法來達(dá)到所要求的參數(shù)，并通過樣機(jī)實(shí)測(cè)，完善設(shè)計(jì)方案。第二章 自行車用無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 眾所周知，有刷直流電動(dòng)機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的電樞、和固定的磁場(chǎng) 。因此，有刷直流電動(dòng)機(jī)必須有一個(gè)滑動(dòng)的接觸機(jī)構(gòu)電刷和換向器，通過它們把電流反饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。無刷直流電動(dòng)機(jī)與前者相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞。這樣，電子換向線路中的開關(guān)元件，如晶體管或可控硅等可與電樞繞組連接。另外，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)，裝有一個(gè)位置傳感器用來檢測(cè)主轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的位置。它與電子換向線路一起，代替了有刷電機(jī)的機(jī)械換向裝置。綜上所述，無刷直流電動(dòng)機(jī)由下列三大部分組成（1） 繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子（2） 位置傳感器（3） 電子換向線路圖（）是無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成方框圖無刷直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)本體位置傳感器電子換向線路主定子主轉(zhuǎn)子傳感器定子傳感器轉(zhuǎn)子電子換向線路圖（） 電動(dòng)機(jī)本體無刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動(dòng)機(jī)的本體主要是有主定子和主轉(zhuǎn)子構(gòu)成。主定子是電動(dòng)機(jī)本體的靜止部分。它是由導(dǎo)磁的定子鐵芯、導(dǎo)電的電樞繞組及固定鐵芯和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機(jī)殼、絕緣槽楔、引出線及環(huán)氧樹脂等。主轉(zhuǎn)子示電動(dòng)機(jī)的本體轉(zhuǎn)動(dòng)部分，是產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)的部件。它是由三部分組成：永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件。它們首先必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中能夠產(chǎn)生足夠的磁通。電樞繞組允許通過一定的電流，以便產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。其次就是要滿足機(jī)械方面的要求，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定，能傳送一定的轉(zhuǎn)矩，并能夠經(jīng)受一定環(huán)境的考驗(yàn)。此外，還要考慮到節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、運(yùn)行可靠和穩(wěn)升不超過規(guī)定的范圍。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由釹鐵硼永磁材料構(gòu)成。在定轉(zhuǎn)子形成的氣隙中產(chǎn)生NS極相間的方波或正弦波磁場(chǎng)。為了使電動(dòng)機(jī)繞組準(zhǔn)確換向，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器，作為轉(zhuǎn)子極性的位置信號(hào)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下所示: 圖（） 無刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 位置傳感器 無刷直流電動(dòng)機(jī)和普通直流電動(dòng)機(jī)一樣，其轉(zhuǎn)矩的獲得也是通過改變相應(yīng)電樞繞組在不同極下的電流方向，從而使轉(zhuǎn)矩總是沿著一個(gè)預(yù)定的方向。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須有位置傳感器，傳感和確認(rèn)磁極和繞組之間的相對(duì)位置。無刷直流電動(dòng)機(jī)和普通永磁直流電動(dòng)機(jī)不同，其永久磁鐵磁極安放在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組安放在定子上。繞組電流的導(dǎo)通與截止是通過與繞組相連接的功率晶體管的導(dǎo)通與截止去實(shí)現(xiàn)的。而功率品體管的導(dǎo)通與截止是由位置傳感器信號(hào)控制的。因此要求位置傳感器的位置和電樞繞組的位置之間具有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以保證功率晶體管在正確的轉(zhuǎn)子位置時(shí)導(dǎo)通與截止。顯然，位置傳感器及其處理電路是驅(qū)動(dòng)控制電路的關(guān)鍵部件。早期的位置傳感器也是接觸式，它的構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，用于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合，對(duì)于它的前輩們（有刷直流電機(jī)來說） 這是一個(gè)很大的創(chuàng)新，有刷電機(jī)由于電刷而不要避免的存在著缺點(diǎn)，電刷與換向片接觸容易磨損，電刷工作時(shí)上面有較大的電流通過會(huì)生火花， 這些影響到電機(jī)的工作穩(wěn)定性和使用時(shí)限。而早期的位置傳感器把有刷電機(jī)的大電流的直接接觸（電源通過電刷、換向器的接觸而加到電樞繞組中去）變?yōu)樾‰娏鹘佑|，然后通過放大而把電源加到電樞繞組中去。但是，這種結(jié)構(gòu)仍然存在機(jī)械接觸。所以在電動(dòng)機(jī)工作上行個(gè)小時(shí)后，傳感器由于接觸次數(shù)的上升還是發(fā)生較大的磨損。而且，這種位置傳感器不便維修，所以，它的使用范圍受到了限制。無接觸式的位置傳感器由于是在真正意義上面做到了無機(jī)械接觸的存大所以可以彌補(bǔ)上面的不足。位置傳感器和電動(dòng)機(jī)的本體一樣，也是靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即位置傳感器的定子和位置傳感器的轉(zhuǎn)子，位置傳感器的種類很多，這里先以較常用的磁電式位置傳感器作為典型來分析：磁電式位置傳感器的定子：磁電式位置傳感器定子是由磁芯、激磁線圈、輸出線圈和罩殼等組成。 磁電式位置傳感器的轉(zhuǎn)子：這種位置傳感器轉(zhuǎn)子由導(dǎo)磁材料（鐵芯）和非導(dǎo)磁材料（襯套）組成。磁芯材料與位置傳感器定子的磁芯材料相同。非導(dǎo)磁材料為銅或者環(huán)氧樹脂等，鐵芯一般為扇形。位置傳感器的分類：一般可分為光電式 磁敏式 接近開關(guān)式 諧振式 高頻耦合式在本次的電動(dòng)自行車的位置傳感器我們用到的是利用磁效應(yīng)原理來作用的霍爾傳感器。a霍爾元件： 位置信號(hào)是霍爾元件拾取的。它是一種半導(dǎo)體器件，采用銻化銦(Insb]和砷化鎵(CaAs)材料，利用霍爾效應(yīng)制成的。其工作原理如下圖所示。如果某一薄片半導(dǎo)體中電流Ic如圖所示沿某一方向流動(dòng)，在垂直薄片的方向上有一磁密B穿過，那么在與電流Ic和磁密B構(gòu)成的平面相垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生一電動(dòng)勢(shì)E，這種效應(yīng)稱之為霍爾效應(yīng)。其原理圖如下：圖（）霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)的極性取決于半導(dǎo)體材料是P型還是N型，其電動(dòng)勢(shì)大小可由下式計(jì)算。E=RH ()RH= ()式中：RH　——霍爾系數(shù)（m3/C） IH——控制電流（A）B ——磁感應(yīng)強(qiáng)度（T） ——材料電阻率（m）當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾元件的平面法線成一定角度，實(shí)際上作用于霍爾元件的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量cos,此時(shí)霍爾電勢(shì)為： E=KHIH cos 其中KH= ()式中RH是霍爾系數(shù)，IH是控制電流(A)，B為磁通密度(T)，d是半導(dǎo)體材料厚度(cm)。當(dāng)磁密B和霍爾元件的平面不相垂直而存在一定角度時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的公式相要相應(yīng)的進(jìn)行變化。上述霍爾元件所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，在應(yīng)用時(shí)往往要外接放大器，很不方便。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與半導(dǎo)體集成電路一起制作在同一塊硅外延片上，這就構(gòu)成了霍爾集成電路。原理簡(jiǎn)圖如下：ABd圖() 霍爾集成電路由式（）可見，當(dāng)霍爾元件在磁場(chǎng)中的位置發(fā)生變化時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小和方向也將發(fā)生相應(yīng)變化?！獜亩鸬絺鞲形恢玫淖饔谩Ｓ苫魻栐敵龅膬H僅是微弱的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，該信號(hào)還不足以驅(qū)動(dòng)控制電路，必須由外加電路進(jìn)行放大處理。目前通常將霍爾元件和有關(guān)的電子電路集成制作在同一芯片上，構(gòu)成霍爾集成電路。 形狀大小與小型的片狀晶體管相似。在無刷直流電動(dòng)機(jī)中通常選用開關(guān)型霍爾集成電路，其電路原理如圖()所示。電路由三端電源穩(wěn)壓電路A，霍爾元件B，差動(dòng)放大器C，施密特觸發(fā)器整形電路D以及集電極開路(O．C)輸出級(jí)E幾部分構(gòu)成，輸出為方波的開關(guān)信號(hào)()為該電路的輸出特性。工程中希望B11—1l、BL—11,BH值盡可能小些，這樣以便對(duì)碰鋼性能降低要求．從而在電路運(yùn)行時(shí)高低電平占空比更趨一致，以達(dá)到提高電機(jī)性能的目的。 UBH O BHL BLH B 圖() 輸出方波的開關(guān)信號(hào)： 霍爾傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為霍爾元件、霍爾集成電路和霍爾功能組件三大類。 霍爾傳感器按其功能和應(yīng)用可分為線性型、開關(guān)型、鎖定型三種。 (a)線性型 線性型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、輸出級(jí)等部分組成。輸人為線性變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度，得到與磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系的輸出電壓?？捎糜诖艌?chǎng)測(cè)量、非接觸測(cè)距、黑色金屬檢測(cè)等。其輸出特性曲線如圖（）所示。 圖（） (b)開關(guān)型 開關(guān)型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)等部分組成。輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為數(shù)字信號(hào)。圖5是其輸出特性曲線。這種開關(guān)的導(dǎo)通和截止過程只和外界磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小有關(guān)，而不需要磁場(chǎng)極性的變換。它的磁滯回線相對(duì)于零磁場(chǎng)軸是非對(duì)稱的。圖（）顯示了這種開關(guān)電路框圖和在交變磁場(chǎng)作用下的輸出特性：調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器圖（） 交變磁場(chǎng)下的輸出特性(c)鎖定型 鎖定型傳感器同樣也是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器、輸出級(jí)等五部分組成。 鎖定型傳感器實(shí)質(zhì)上也是一種開關(guān)型器件，與一般霍爾開關(guān)的差別在于，它是由雙磁極激發(fā)的。 位置傳感器的基本功能是在電動(dòng)機(jī)的每一個(gè)電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。也就是說電動(dòng)機(jī)傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)磁極(N、S極)的轉(zhuǎn)角，就要產(chǎn)生出與電機(jī)邏輯分配狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動(dòng)機(jī)的一個(gè)換流全過程。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對(duì)數(shù)越多，則在360。機(jī)械角度內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多 霍爾位置傳感器的設(shè)計(jì)可分為定子設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。定子設(shè)計(jì)主要是確定霍爾元件的數(shù)目和它們之間相互間隔的位置角度以及安裝的位置。轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)主要是確定充磁的極對(duì)數(shù)。定子設(shè)計(jì) (a)霍爾元件數(shù)目的確定 開關(guān)型霍爾傳成器是一個(gè)雙值元件。一個(gè)雙值元件僅有“o”和“1”兩種狀態(tài)，兩個(gè)雙值元件便有四個(gè)狀態(tài)，而n個(gè)雙值元件則可組成2的n次方個(gè)狀態(tài)。按照這樣的規(guī)律，我們可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的分配狀態(tài)數(shù)確定所需霍爾元件的最少個(gè)數(shù)。例如二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)的電機(jī)，在一個(gè)電周期內(nèi)需要六個(gè)不同的狀態(tài)，二個(gè)霍爾元件產(chǎn)生不了六個(gè)狀態(tài)，因而所對(duì)應(yīng)需要的霍爾元件數(shù)起碼是三個(gè)。而五相十狀態(tài)電機(jī)，所需的霍爾元件數(shù)起碼是四個(gè)。 但是，上述規(guī)律僅僅是從理論上考慮一個(gè)多位雙值系統(tǒng)能構(gòu)成多少個(gè)不同的狀態(tài)，只能為我們?cè)诖_定霍爾元件的個(gè)數(shù)時(shí)提供一個(gè)大致的范圍，最后還必須使用上節(jié)所述的波形組合法，才能最終確定一個(gè)實(shí)際的位置傳感器需要多少個(gè)霍爾元件。 (b) 霍爾元件相隔的位置角 首先把每個(gè)霍爾元件所產(chǎn)生的波形等分成電動(dòng)機(jī)所需要的邏輯分配狀態(tài)數(shù)，然后把它們相互留開一定的位置角后組合在一起，倘若最終能產(chǎn)生所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)這個(gè)位置角就是可取的。如果分配狀態(tài)是單數(shù)的話，可以把該數(shù)乘以再按乘2后的數(shù)進(jìn)行等分。轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì) 霍爾位置傳感器的轉(zhuǎn)子可以直接利用電動(dòng)機(jī)的主轉(zhuǎn)子，也可以和主轉(zhuǎn)子分體安裝。如果分體安裝，那么其充磁的極對(duì)數(shù)一般設(shè)計(jì)成和電動(dòng)機(jī)的主轉(zhuǎn)子一樣，以確保換向節(jié)拍和主轉(zhuǎn)子磁極處在換向位置的時(shí)間是同步的。這樣可提高平均轉(zhuǎn)矩，同時(shí)降低轉(zhuǎn)短的波動(dòng)值?；魻杺鞲衅魇敲糠倍嗟膫鞲衅髦兄匾囊粋€(gè)家族，因其具有穩(wěn)定、可靠，頻率響應(yīng)寬、體積小，結(jié)構(gòu)牢固，易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，目前已越來越多地被用于無刷直流電動(dòng)機(jī)中。霍爾位置傳感器的設(shè)計(jì)可以采用波形組合法，其構(gòu)成的方案并非是唯一的，但是只要能滿足上述條件，就可以作為無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器。 電子換向線路 電子換向電路和位置傳感器相配合，起到與機(jī)械換向器類似的作用，所以，電子換向電路也好似無刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無刷接觸換向的一個(gè)重要組成部分。電子換向電路的任務(wù)是將位置傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，預(yù)放大，功率放大，然后去觸發(fā)末級(jí)功率晶體管，使電樞繞組按一定的邏輯程序饋電，保證電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。一般來說，對(duì)電子換向電路的基本要求是：A） 線路簡(jiǎn)單；B） 運(yùn)行穩(wěn)定可靠；C） 體積小，重量輕；D） 功率損耗小；E） 能夠按照位置傳感器的信號(hào)進(jìn)行正確換向，并能控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)；F） 能夠滿足不同環(huán)境條件的要求； 無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理與基本設(shè)計(jì)無刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 就它們內(nèi)部發(fā)生的電磁過程來說，本質(zhì)上沒有多大差別。因此，不妨先介紹一下有刷直電動(dòng)機(jī)的工作原理。有刷直流電動(dòng)機(jī)主要由靜上部分磁極體，轉(zhuǎn)動(dòng)部分電樞以及電刷和換向器成，N，S極為磁極體，線圈abcd組成電樞，電刷A，B和換向片I，II組成機(jī)械換向機(jī)構(gòu)。當(dāng)接上電源后，電流I從電刷A流進(jìn)去，經(jīng)過換向片I，線圈abcd到換向片II，然后由電刷B流出。：如果磁場(chǎng)中有一載流導(dǎo)體，且導(dǎo)體與磁場(chǎng)方向相互垂直，則作用在載導(dǎo)體上的