【正文】 材料構(gòu)成的零件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，就越難以加工、粘接和磁化。 電動(dòng)自行車用無(wú)刷電機(jī)的性 價(jià)比因素 A．電動(dòng)自行車是一種商業(yè)產(chǎn)品，所以不管是生產(chǎn)者還是消費(fèi)者必不可少的要考慮到它的性價(jià)比。由此可見，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的性能價(jià)格比主要由上述三部分決定。在德國(guó) N米斯格林提出采用電容移相換流的方法基礎(chǔ)之上， R哈尼特司等人試制成 功借助數(shù)字式環(huán)分配器和過(guò)零鑒別器組合來(lái) 實(shí)現(xiàn)換流的 無(wú)附加位置傳感器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。 1． 2 簡(jiǎn)易發(fā)展史和原理方框 直流無(wú)刷電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起未的，它是以法拉第的電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，而又以新興的電于技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和各種機(jī)械原理為后 盾，因此具有很強(qiáng)的生命力。單從其驅(qū)動(dòng)裝置 —— 電機(jī)來(lái) 看就有很高的技術(shù)含量。而電動(dòng)自行車因?yàn)檩p便、快捷，適應(yīng)了現(xiàn)代人追求環(huán)保、效率、安全的需要，所以受到了廣大消費(fèi)者的普遍歡迎，得以再度興起。 positional sensor。本文所介紹的電動(dòng)自行車使用的直流無(wú)刷電機(jī)，采用電子操縱系統(tǒng)，電動(dòng)自行車的最高時(shí)速可達(dá) 25km/h，一次充電行程為 64km。 51 最佳換向問題 44 設(shè)計(jì)概述 34 電樞反應(yīng) 總結(jié) 31 電樞反應(yīng) 29 磁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 系統(tǒng)方程式 20 繞組連接方式、相數(shù)、槽數(shù)的選擇 19 換流線路基本設(shè)計(jì) 10 電子換向線路 9 電動(dòng)機(jī)的本體 7 第 二 章 自行車用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 基本設(shè)計(jì) 5 電動(dòng)自行車用永磁電機(jī)的性價(jià)比因素 Ⅰ Abstract 3 目 錄 摘 要 使用位置傳感器，容易解決直流無(wú)刷電機(jī)換向時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)，但是增大了電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、安裝的難度和電機(jī)的體積，也增加成本。車速低于 20Km/h，爬坡能力在 4 度上下 。 中國(guó)是一個(gè)自行車王國(guó)，據(jù)報(bào)道全國(guó)自行車擁有量為 億。因此，研制生產(chǎn)出一種無(wú)污染、低噪 聲 的交 通工具來(lái)替代摩托車和燃油助動(dòng)車，已是時(shí)代的需要。目前，發(fā)展中國(guó)家的空氣還在進(jìn) 一步惡化，我國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家。 1 前 言 人類在進(jìn)入工業(yè)化社會(huì)之后，大量使用地球上石油、煤等化石能源， 空氣 中的二氧化碳和二氧化硫急劇增加，造成了酸雨蔓延和溫室效應(yīng)，特別在 二十世紀(jì)后期，酸雨大面積擴(kuò)展，幾乎蔓延至所有國(guó)家，“厄爾尼諾現(xiàn)象”、“主尼拉現(xiàn)象”頻繁出現(xiàn)。環(huán)境問題已經(jīng)引起黨和國(guó)家以 及 人民群眾重視。電動(dòng)自行車正是在 這樣的呼喚下，逐步走進(jìn)人們的生活中。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，用電動(dòng)自行車替代摩托車、燃油助動(dòng)車和自行車，一方面可以緩解城市中大氣污染問題，另一方面也可以 提高人們的生活節(jié)奏，因此電動(dòng)自行車的社會(huì)需求市場(chǎng)巨大，據(jù)專家預(yù)測(cè)，本世紀(jì)初，我國(guó)電動(dòng)自行車年需求量將達(dá)到 100 萬(wàn)輛以上。車型有普通型和豪華型，車重約 35Kg，載重量約 75Kg， 一 百公里耗電量 在 1kwh. 由于電動(dòng)自行車的諸多優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)需求量大，因此電動(dòng)自行車在未來(lái)的發(fā)展?jié)摿Ρ葻o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 2 較大 。 因此，本課題主要任務(wù)是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)來(lái)解決 無(wú)刷直流 電機(jī)換向問題，從而解決電動(dòng)自行車控制、驅(qū)動(dòng)中不完善的地方。 6 設(shè)計(jì)方法初探 10 位置傳感器 16 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理與基本設(shè)計(jì) 20 位置傳感器的設(shè)計(jì) 22 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 23 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成 24 運(yùn)行特性分析 35 電磁設(shè)計(jì)程序清單 51 更佳的無(wú)位置傳感無(wú)刷電機(jī)簡(jiǎn)述 52 控制系統(tǒng)電路抗干擾問題 54 參考文獻(xiàn) 電電機(jī)的功率為 220kw，得 6kg,效率可達(dá)到85 00 ,有更小的損耗和雜音 .本文提 到的電機(jī)是方波無(wú)刷直流電機(jī)，所以也涉及到了其PWM 控制器的設(shè)計(jì)。 PWM controller 1 第一章 緒 論 無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用概況 隨著我國(guó)改革 開放的深入和社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活節(jié)奏的加快，活動(dòng)范圍的不斷 擴(kuò)大，人們希望獲得一種輕便快捷、簡(jiǎn)單安全的交通工具。 1998 年我國(guó)電動(dòng)自行車的年產(chǎn)量約 6萬(wàn)輛 1999 年產(chǎn)量翻番 達(dá)到 13萬(wàn)輛，主要生產(chǎn)集中在華北地 區(qū)。電動(dòng)自行車的電機(jī)經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展 ，曾經(jīng)有變頻電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、有刷直流電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)等 多種驅(qū)動(dòng)方案。 1955 年，美國(guó) D 哈利森等人首次申請(qǐng)用晶體管換 向電路代替電動(dòng)機(jī)電刷接觸的專利，即無(wú)刷直流電機(jī)的雛形。 稀土永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)效率高，性能好，體積小，重量輕，安全可靠，無(wú)需維修，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 2 壽命長(zhǎng)，因 而已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、航空航天、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等高科技領(lǐng)域中。 圖 電動(dòng)自行車的發(fā)展離不開其所采用的核心驅(qū)動(dòng)元件 —— 電機(jī) 的發(fā)展，電機(jī) 是電動(dòng)自行車發(fā)展的主要標(biāo)志。 永磁 電動(dòng)機(jī)本體的性能價(jià)格比主要由所選用的永磁材料本身的性能價(jià)格比和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝的合理性決定。因此在 永 磁電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 時(shí)，要考慮到水磁材料零件結(jié)構(gòu)形狀要便于加工、粘接和磁化。稀土永 磁材料磁性能優(yōu)越，用于制直流 電源 控制電路 永磁電機(jī) 位置 傳感器 3 造電機(jī)可以大幅度地提高電機(jī)效率，節(jié)約能源，可以大大減少電機(jī)的重量，提高電機(jī)的運(yùn)行性能，簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性。生產(chǎn)徑向磁化磁密均勻分布的高性能磁鐵技術(shù)還未過(guò)關(guān)，目前我國(guó)只能生產(chǎn)高磁性能的平板塊狀磁鐵和環(huán)形軸向磁化的磁鐵。因此在設(shè)計(jì)無(wú)刷水磁電機(jī)時(shí)要充分考慮到上述兩點(diǎn)。要 滿足不同的要求，就要有正確的設(shè)計(jì)方法。 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。 3）大功率無(wú)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(wú)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(wú)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)。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(lái) 達(dá)到所要求的參數(shù)，并通過(guò)樣 機(jī)實(shí)測(cè)，完善設(shè)計(jì)方案。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。 電動(dòng)機(jī)的本體主要是有主定子和主轉(zhuǎn)子構(gòu)成。它是由三部分組成：永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零 部件。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(guò)規(guī)定的范圍。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) 。繞組電流的導(dǎo) 7 通與截止是通過(guò)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。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。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。 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。 a 霍爾元件： 位置信號(hào)是 霍爾元件拾取的。其原理圖如下： 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 8 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。 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。 由霍爾元件輸出的僅僅是微弱的電動(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。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。 (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。 BH 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 10 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。它的磁滯回線相對(duì)于零磁場(chǎng)軸是非對(duì)稱的。也就是說(shuō)電動(dòng)機(jī)傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)程。轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)主要是確定充磁的極對(duì)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)。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。 霍 爾傳感器是名目繁多的傳感器中重要的一個(gè)家族，因其具有穩(wěn)定、可靠，頻率響無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 12 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(lái)越多地被用于無(wú) 刷直流電動(dòng)機(jī)中。 一般來(lái)說(shuō)，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??； 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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理與基本設(shè)計(jì) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理 無(wú)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(lái)的。 當(dāng)接上電 源后，電流 I 從電刷 A 流進(jìn)去，經(jīng)過(guò)換向片 I，線圈 abcd 到換向片 II，然后由電刷 B 流出。當(dāng)載流導(dǎo)體轉(zhuǎn)過(guò) 180 電角度后，電流 I 還是從電刷 A 進(jìn)去，經(jīng)由 13 抽向片 II，線圈 dcba,到換向片 I，最后仍從電刷 B 流出。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中始終保持一定的角度，從而產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，與直流有刷電動(dòng)機(jī)不同，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電樞轉(zhuǎn)一圈，定子繞組只換相 6 次，每個(gè)極下 換相三次，相當(dāng)于只有三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī)。 由上述的分析可見，要使直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)正確的換相運(yùn)行，必須知道圖 （ ） 所示的六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置，六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置即對(duì)應(yīng)著直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)后的 300(電角度 )處。下圖為無(wú)刷直電動(dòng)機(jī)工作原理的方 圖。 與它們相配合的電子換向線路可以為樣式連接也可以為非橋式連接。為了使無(wú)刷直電動(dòng)機(jī)可靠地運(yùn)生，就應(yīng)該正確地進(jìn)行換流。電樞鐵心也是由硅鋼片疊成，鐵心有齒槽．放置多相繞組，與有刷直流電動(dòng)機(jī)不同，工作過(guò)程中 (電流 )應(yīng)該是換相，而不是換向。繞組的相數(shù)可選二、三、四、五??直至十五相，但用 得最多的是三相及四相，五相以上的相數(shù)用得較少。給出兩臺(tái)三相及四相單極型無(wú)刷直流電機(jī)對(duì)比，兩臺(tái)電機(jī)具有相同的尺寸、電壓、控制電路布局及鐵耗．四相電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度 大 9％，用銅量增加 36％。 14電子元件的應(yīng)力 在保證不同相數(shù)有相同的出力及電壓的前提下，隨相數(shù)增加．每相電流減少，因而元件的電應(yīng)力減少。 21極對(duì)數(shù)與材料利用率 若氣隙磁密及電摳直徑不變， 2pФ w實(shí)際不變。 24 極對(duì)數(shù)與電感 極對(duì)數(shù)增多，電樞每相電感減少，對(duì)換相有利。隨著功率 增大或外轉(zhuǎn)子應(yīng)用，為了改善電機(jī)性能，電樞繞組也可以采用分?jǐn)?shù)繞組， PmqZ 2? 其中 q為每相槽數(shù)，可為整數(shù)也可為分?jǐn)?shù)。這里我們主要就磁電式位置傳感器設(shè)計(jì)時(shí)要需要注意的問題作一簡(jiǎn)要的介紹 磁芯材樣的選擇 磁電式位置傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的變壓器，其原邊通的 是頻率為幾十到幾百千赫的高頻電流，通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的“耦合”作用，在副邊輸出同樣頻率的高頻信號(hào)。 19 否則就會(huì)破壞振蕩器的起振件而造成停振，或者需要振蕩器輸出很大的功率而增加了線路的功耗。 對(duì)于本次課程設(shè)計(jì)的位置傳感器的導(dǎo)通情況已經(jīng)用下表例出： 時(shí) 間 0 060 0120 0180 0240 0300 0360 繞組、 功率管 導(dǎo)通順序