【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 29 頁 共 29 頁1 引言無刷直流電機最本質(zhì)的特征是沒有機械換向器和電刷所構(gòu)成的機械接觸式換向機構(gòu)?，F(xiàn)在，無刷直流電機定義有倆種：一種是方波/梯形波直流電機才可以被稱為無刷直流電機，而正弦波直流電機則被認為是永磁同步電機。另一種是方波/梯形波直流電機和正弦波直流電機都是無刷直流電機。國際電器制造業(yè)協(xié)會在1987年將無刷直流電機定義為“一種轉(zhuǎn)子為永磁體，帶轉(zhuǎn)子位置信號，通過電子換相控制的自同步旋轉(zhuǎn)電機”，其換相電路可以是獨立的或集成于電機本體上的。本次設(shè)計采用第一種定義，把具有方波/梯形波無刷直流電機稱為無刷直流電機。從20世紀90年代開始，由于人們生活水平的不斷提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機器人等設(shè)備都向著高效率化、小型化及高智能化發(fā)展，電機作為設(shè)備的重要組成部分，必須具有精度高、速度快、效率高等優(yōu)點，因此無刷直流電機的應用也發(fā)展迅速[1]。 無刷直流電機的發(fā)展概況無刷直流電動機是由有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展過來的。19世紀40年代，第一臺直流電動機研制成功，經(jīng)過70多年不斷的發(fā)展，直流電機進入成熟階段，并且運用廣泛。1955年，形成了現(xiàn)代無刷直流電動機的雛形。在20世紀60年代初，霍爾元件等位置傳感器和電子換向線路的發(fā)現(xiàn)，標志著真正的無刷直流電機的出現(xiàn)。20世紀70年代初，德國人Blaschke提出矢量控制理論，無刷直流電機的性能控制水平得到進一步的提高，極大地推動了電機在高性能領(lǐng)域的應用。1987年，在北京舉辦的德國金屬加工設(shè)備展覽會上，西門子和博世兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動器，引起了我國有關(guān)學者的注意，自此我國開始了研制和開發(fā)電機控制系統(tǒng)和驅(qū)動的熱潮。目前，我國無刷直流電機的系列產(chǎn)品越來越多，形成了生產(chǎn)規(guī)模。無刷直流電動機的發(fā)展主要取決于電子電力技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電機發(fā)展的初期，由于大功率開關(guān)器件的發(fā)展處于初級階段，性能差，價格貴，而且受永磁材料和驅(qū)動控制技術(shù)的約束，這讓無刷直流電動機問世以后的很長一段時間內(nèi)，都停留在實驗階段，無法推廣到實際中使用，1970年以后，半導體的快速發(fā)展，許多新型的全控型半導體功率器件（如MOSFET、IGBT等）不斷出現(xiàn)，而且高性能的永磁材料（如SmCo、NsFeB）陸續(xù)出現(xiàn)[2]，這些都為無刷直流電機廣泛應用提供了有利的條件。由于無刷直流電機的廣泛使用，無刷直流電機的理論也不斷得到修改完善。1986年，這樣標志著無刷直流電機在理論上走向成熟。 無刷直流電機 無刷直流電機的結(jié)構(gòu) 無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器組成。它和有刷直流電機有著很多共同點，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相似（原來的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ樱@組的接線一樣[3]。然而，結(jié)構(gòu)上有明顯的區(qū)別：無刷直流電機沒有有刷直流電機中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機結(jié)構(gòu)簡單，減少了電機的制造和維護成本，但無刷直流電機不會自動換相，這使的電機控制器成本的提高。 無刷直流電機模型、星形連接無刷直流電機，定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外，結(jié)構(gòu)與直流電機很相似。另一種無刷直流電機的結(jié)構(gòu)剛好相反，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，定子在外。 無刷直流電機的工作原理無刷直流電機的定子是線圈繞組，轉(zhuǎn)子是永磁體。檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機的相應線圈通電，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動起來。 無刷直流電機轉(zhuǎn)動原理，定子的線圈一端接電源，其余三相接功率管，位置傳感器導通時功率管的G極接+12V，功率管導通，對應的相線圈通電。三個位置傳感器隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，依次導通，對應線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場不斷地變化，電機轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)動起來，這就是無刷直流電機的轉(zhuǎn)動原理。 無刷直流電機的磁路結(jié)構(gòu)和定子繞組磁路是指磁通能通過的路徑，無刷直流電機中，轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，作為磁極，電機轉(zhuǎn)子磁極多是4個或6個永磁體。轉(zhuǎn)子數(shù)目增加，相應的定子繞組也增加，但不需要增加驅(qū)動電路數(shù)目。主磁場一般由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生，從S極回到N極而閉合。繞組是指按照一定規(guī)律連接起來的一組線圈總體。繞組導電以后，和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場相互作用，產(chǎn)生力或力矩，將電能轉(zhuǎn)換成機械能，故又將定子繞組稱為電樞繞組。 無刷直流電機的應用近年來，我國中小型電機和微特電機行業(yè)發(fā)展迅速，是由于其本身具有高效率、壽命長、低噪音和較好的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性的優(yōu)點。特別在汽車、航空、家用電器等行業(yè)中發(fā)展較好[15]。車用無刷直流電機：電機可以作為驅(qū)動的核心部件，而且還可以用在汽車空調(diào)、雨刮器、電動車門、安全氣囊、電動座椅等驅(qū)動上。航空航天用無刷直流電機：利用電機驅(qū)動設(shè)備代替氣動和液壓傳動裝置已成為航空航天發(fā)展中的一種趨勢。航空航天電機由于其應用場合的特殊性，一般要求所用電機體積小，結(jié)構(gòu)簡單。無刷直流電機在家用電機中的應用：家用電氣電子驅(qū)動電機每年約30%的增幅發(fā)展，現(xiàn)代電器朝著節(jié)能、低噪音、智能化和高可靠性方向發(fā)展?？照{(diào)和冰箱中都有壓縮機電機，傳統(tǒng)的壓縮機一般是異步電機，其效率和功率因數(shù)較低，采用變頻技術(shù)以后，情況有所改善。VCD、DVD、CD機等家用電器的主軸驅(qū)動電機也使用無刷直流電機，這類電機一般采用盤式無鐵心電機結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)，價格便宜。無刷直流電機不僅能克服傳統(tǒng)家用電機的部分缺點，給人們的居家生活帶來更高的舒適性，還能降低能源耗損，更好的實現(xiàn)能源的可持續(xù)利用。無刷直流電機在辦公自動化中的應用：計算機外設(shè)和辦公自動化設(shè)備用電機，絕大部分為先進制造技術(shù)和新興微電子技術(shù)相結(jié)合的高檔精密無刷直流電機，是技術(shù)密集化產(chǎn)品。這種高性能無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)的采用能大大改善產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)品的價值。無刷直流電機在數(shù)碼相機上也得到廣泛的應用，如日本TOSHIBA和SANYO公司已生產(chǎn)出無刷直流電機驅(qū)動的相機。無刷直流電機驅(qū)動的激光打印機產(chǎn)品也已經(jīng)有了較長的歷史，它的轉(zhuǎn)速可以在每分鐘幾千到幾萬轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)精確控制，具有很好的技術(shù)和市場競爭力。另外，無刷直流電機在計算機、錄音機和CD影碟機等設(shè)備產(chǎn)品中也有很好的應用[7 ~10]。 無刷直流電機的發(fā)展趨勢 新電子技術(shù)、新器件、新材料及新的控制方法的出現(xiàn)將進一步推動無刷直流電機的發(fā)展和應用[11 ~14]。 (1) 電子電力及微處理器技術(shù)對無刷直流電機發(fā)展的影響 這使電機向小型化與集成化、控制器全數(shù)字化、綠色PWM控制及其高效化發(fā)展。 (2) 永磁材料對無刷直流電機發(fā)展的影響 電機的小型化、輕量化及高效化與磁性材料的發(fā)展息息相關(guān)。每當出現(xiàn)新的永磁材料，就會使電機的結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)新的變革，促進電機的設(shè)計理論、計算方法和結(jié)構(gòu)工藝研制水平的提高到一個新的臺階。 (3) 新型無刷直流電機的開發(fā) 在無刷直流電機控制系統(tǒng)中，速度和轉(zhuǎn)矩波動一直是需要進一步解決的問題，尤其是用于視聽設(shè)備、航空電氣、計算機中的無刷直流電機，更要求其具有運行平穩(wěn)、精度高、噪聲小等特點?？傊畯慕Y(jié)構(gòu)上研究和開發(fā)新型電機必然是今后無刷直流電機發(fā)展的方向之一。 (4) 先進控制策略的應用 現(xiàn)代工業(yè)中對電機性能的要求越來越高，無刷直流電機性能的改善可以通過電機本體優(yōu)化設(shè)計及電力電子裝置的控制來實現(xiàn)，也可以利用各種先進的控制策略來實現(xiàn)。全面實現(xiàn)無刷直流電機控制系統(tǒng)朝微型化、輕量化、高智能化和節(jié)能化的方向發(fā)展。 本設(shè)計課題的任務(wù)和內(nèi)容 (1) 學習無刷直流電機的基本原理、磁路結(jié)構(gòu)、定子繞組特點和設(shè)計計算方法。(2) 研究和討論典型三相無刷直流電機的運行控制方式和檢測方法及仿真。(3) 設(shè)計輸出功率小于100W三相無刷直流電機的控制和檢測系統(tǒng)。(