【正文】 無別直流電動機結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)直流電動機不同，是 “反裝式 ”或 “里翻外 ”結(jié)構(gòu)。 11繞組利用程度 在有刷直流電動機運行的任何時刻繞組里所有導體都通電，除換向元件外，都產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。但無刷直流電機轉(zhuǎn)速與極對數(shù) (通過反電勢 )有一定的約束關系，以三相星形橋式六狀態(tài)電路為例 理想空載轉(zhuǎn)速 n。例如二對極三相時指數(shù)應為 12?？刹捎?MX200等鐵氧體材料。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和高能永磁材料的出現(xiàn)，能使直流電動機做得和交流電動機一樣結(jié)構(gòu)簡單，耐用，而又具有良好的性能。 圖（ ） 系統(tǒng)方程式 (1)電磁轉(zhuǎn)矩公式 對于第一種方案，電動機有一個位置傳感器安裝在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上，用位置反饋信號使電流與對應感應電動勢同步，目的是獲得恒轉(zhuǎn)矩。假設磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗，三相繞組完全對稱，則三相繞組的電壓平衡方程式可表示為 ???????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbacbaeeeiiiPLMMMLMMMLiiirrrUUU.................. .......... .......................................0....00.........00.....0... () 式中： P為微分算子 P＝ d／ dt， Ua Ub Uc為定子相繞組電壓 (單位為 V)， ia ib ic定子相繞組電流 (單位為 A)， ea eb ec為定子相繞組電動勢 (單位為 V)； L為每相繞組的自感 (單位為 H)， M為每兩相繞組間的互感 (單位為 H).由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化， 23 因此定子繞組的自感和互感為常數(shù)。然后才能對電動機的磁路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)進行合理設計。 無刷直流電動機的設計 26 在一般電激磁式直流電動機中，所選定的磁負荷可以通過激磁系統(tǒng)的設計來保證實現(xiàn)。因此，合理地選擇際計算過程中，磁路和電路計算往往是交叉小的。我們在本次設計中用到的是拼塊式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)經(jīng)上述兩種復雜。不過則于其轉(zhuǎn)子上具有軟鐵制成的磁極，能給電樞反應去磁磁通提供通路，致使對轉(zhuǎn)子磁鋼的去磁作用大為減弱。對應于最大的（ BH）值就是磁鋼的最佳工作點。從而保證在同樣的輸出功率的條件下，電動機具有最小的體積和重量，實現(xiàn)磁鋼的最佳利用。為此，在電動機正式投入運行以前，必須讓電動機經(jīng)受它在按照技術(shù)條件運行的整個過程中，可能遇到的最大去磁作用，從而保證它的運行性能不會再隨負載的變化而變化。隨著起動過程的結(jié)束，電動機將在額定狀態(tài)下運行。在圖 2(a)中定子磁勢用 Fa表示，轉(zhuǎn)子磁場用 Bm表示，當轉(zhuǎn)子磁場處于狀態(tài)角 a2范圍內(nèi)．電樞磁勢方向保持不變。提出的方法進行計算，直軸電樞 反應磁 勢的最大值為： )2s in ( 2aFF aadm ? 。當電刷放在幾何中性線上時．普通直流電機的電樞反應磁勢與主磁場正交，只有交軸電樞反應，不存在直軸電樞反應。 磁鋼轉(zhuǎn)子在裝入定子以后再進行充磁，并使磁鋼達到飽和，此時磁鋼的磁狀態(tài)確定。 一臺新裝配好的永磁電動機，充磁以后的原始磁狀態(tài)處于回復線的一點，而電動機運行時，轉(zhuǎn)子磁場將會受到電樞反應磁場的去磁作用，使電動機的磁狀態(tài)發(fā)生變化，磁鋼的工作點將隨著電樞反應的增磁或去磁作用在某一回復線上移 動，如果電動機在另一次運行時，經(jīng)受了比上次大的去磁作用，這時工作點將在別一條回復線上面移動了。 一般來講，永磁電動機要的磁鋼是在回復條件下工作的。在一般 的情況下，含有磁鋼的磁路是在去磁曲線上工作的。假定通過氣隙進入齒部的磁通不在電樞齒內(nèi)分流，而全部經(jīng)過軛部閉合。 磁路結(jié)構(gòu)與等效磁路圖 無刷直流電動機在磁路結(jié)構(gòu)上的最大的特點就是用就久磁鋼做轉(zhuǎn)子，而定子結(jié)構(gòu)基本上交流電動機相似。通常，用戶提出的設計任務書對電動機的功率和安裝尺寸均有明確要求，那么電動機的機號就基本上確定了。但是隨著電磁負荷的增大，會使電動機發(fā)熱嚴重，效率降低。 設計無刷直流電動機，和通常設計有刷直流電動機不同。 為了更好地發(fā)揮無刷直流電動機的調(diào)速性能，希望實現(xiàn)在基速以上的恒功率調(diào)速，但無刷直流電動機靠永磁體來產(chǎn)生激磁，其激磁很難調(diào)節(jié)，通過理論分析，可以通過磁場削弱電樞反應，即通過削磁多少來達到，這就必須通過提前整流，即將相電流的導通區(qū)域提前，利用繞組的自感電動勢去削弱旋轉(zhuǎn)磁勢以削弱磁場。故無刷直流電動機和傳統(tǒng)直流 電動機有相同的工作原理。 對于本次課程設計的位置傳感器的導通情況已經(jīng)用下表例出： 時 間 0 060 0120 0180 0240 0300 0360 繞組、 功率管 導通順序 A B C D C C A AB B B C V1 V2 V3 V4 V5 V6 無刷直流電機運行特性分析 無刷直流電動機是隨著電子技術(shù)迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機。這里我們主要就磁電式位置傳感器設計時要需要注意的問題作一簡要的介紹 磁芯材樣的選擇 磁電式位置傳感器實質(zhì)上是一個旋轉(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。 24 極對數(shù)與電感 極對數(shù)增多，電樞每相電感減少，對換相有利。 14電子元件的應力 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，因而元件的電應力減少。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。為了使無刷直電動機可靠地運生，就應該正確地進行換流。下圖為無刷直電動機工作原理的方 圖。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個磁場的方向在電動機運動的過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)動電動機不停地運轉(zhuǎn)，與直流有刷電動機不同，直流無刷電動機的電樞轉(zhuǎn)一圈，定子繞組只換相 6 次，每個極下 換相三次，相當于只有三個換向片的直流電動機。 當接上電 源后，電流 I 從電刷 A 流進去，經(jīng)過換向片 I，線圈 abcd 到換向片 II，然后由電刷 B 流出。 霍 爾傳感器是名目繁多的傳感器中重要的一個家族，因其具有穩(wěn)定、可靠，頻率響無刷直流電動機的設計 12 應寬、體積小，結(jié)構(gòu)牢固，易于安裝等優(yōu)點，目前已越來越多地被用于無 刷直流電動機中。例如二相導通三相六狀態(tài)的電機，在一個 電周期內(nèi)需要六 個不同的狀態(tài)，二個霍爾元件產(chǎn)生不了六個狀態(tài)，因而所對應需要的霍 爾元件數(shù)起碼是三個。也就是說電動機傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極 (N、 S極 )的轉(zhuǎn)角，就要產(chǎn)生出與電機邏輯分配狀態(tài)相對應的開關狀態(tài)數(shù)，以完成電動機的一個換流全過程。 BH 無刷直流電動機的設計 10 圖 （ ） (b)開關型 開關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)器和輸出級等部分組成。電路由三端電源穩(wěn)壓電路 A，霍爾元件 B，差動放大器 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 E幾部分構(gòu)成，輸 出為方波的開關信 號 ()為該電路的輸 出特性。 上述霍爾元件所產(chǎn)生的電動勢很低，在應用時往往要外接放大 器，很不方便。 a 霍爾元件： 位置信號是 霍爾元件拾取的。所以在電動機工作上行個小時后，傳感器由于接觸次數(shù)的上升還是發(fā)生較大的磨損。繞組電流的導 7 通與截止是通過與繞組相連接的功率晶體管的導通與截止去實現(xiàn)的。此外，還要考慮到節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運行可靠和穩(wěn)升不超過規(guī)定的范圍。 電動機的本體主要是有主定子和主轉(zhuǎn)子構(gòu)成。因此，這三種設計方法是可相互補充，在實際應用中，根據(jù)不同的研究對象、選擇不同的設計方法來 達到所要求的參數(shù)，并通過樣 機實測，完善設計方案。 采用的 方法 ：磁路計算仍采用場化為路的經(jīng)典法，電路計算時作了如下假 設 (a)認為由轉(zhuǎn)子 磁鋼產(chǎn)生的氣隙磁場是按正弦波分布的．對于氣隙中某一固定點，在電動機旋轉(zhuǎn)時 該處磁 密在時間上按正弦規(guī)律變化， （ b)忽略電樞繞組的電 感。因此在設計無刷水磁電機時要充分考慮到上述兩點。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 位置 傳感器 3 造電機可以大幅度地提高電機效率，節(jié)約能源，可以大大減少電機的重量，提高電機的運行性能，簡化電機結(jié)構(gòu)，提高電機運行的可靠性。 永磁 電動機本體的性能價格比主要由所選用的永磁材料本身的性能價格比和無刷電動機磁路結(jié)構(gòu)設計和工藝的合理性決定。 稀土永磁無刷電動機效率高，性能好，體積小，重量輕，安全可靠，無需維修，無刷直流電動機的設計 2 壽命長，因 而已經(jīng)被廣泛地應用在數(shù)控機床、航空航天、計算機外圍設備等高科技領域中。電動自行車的電機經(jīng)過十多年的發(fā)展 ，曾經(jīng)有變頻電機、開關磁阻電機、有刷直流電機、無刷電機等 多種驅(qū)動方案。 PWM controller 1 第一章 緒 論 無刷直流電機在電動自行車上的應用概況 隨著我國改革 開放的深入和社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活節(jié)奏的加快，活動范圍的不斷 擴大，人們希望獲得一種輕便快捷、簡單安全的交通工具。 52 控制系統(tǒng)電路抗干擾問題 51 更佳的無位置傳感無刷電機簡述 24 運行特性分析 23 無刷直流電動機系統(tǒng)的組成 16 無刷直流電動機的原理與基本設計 因此，本課題主要任務是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)來解決 無刷直流 電機換向問題，從而解決電動自行車控制、驅(qū)動中不完善的地方。隨著我國城市化進程加快，用電動自行車替代摩托車、燃油助動車和自行車，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，因此電動自行車的社會需求市場巨大，據(jù)專家預測，本世紀初，我國電動自行車年需求量將達到 100 萬輛以上。環(huán)境問題已經(jīng)引起黨和國家以 及 人民群眾重視。目前，發(fā)展中國家的空氣還在進 一步惡化，我國作為世界上最大的發(fā)展中國家。 中國是一個自行車王國，據(jù)報道全國自行車擁有量為 億。使用位置傳感器，容易解決直流無刷電機換向時，轉(zhuǎn)子的位置檢測，但是增大了電機的設計、制造、安裝的難度和電機的體積，也增加成本。 5 電動自行車用永磁電機的性價比因素 7 第 二 章 自行車用無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和原理 基本設計 9 電動機的本體 29 磁路系統(tǒng)的設計 31 電樞反應 34 電樞反應 總結(jié) 51 最佳換向問題 positional sensor。單從其驅(qū)動裝置 —— 電機來 看就有很高的技術(shù)含量。在德國 N米斯格林提出采用電容移相換流的方法基礎之上， R哈尼特司等人試制成 功借助數(shù)字式環(huán)分配器和過零鑒別器組合來 實現(xiàn)換流的 無附加位置傳感器的直流無刷電動機。 電動自行車用無刷電機的性 價比因素 A．電動自行車是一種商業(yè)產(chǎn)品，所以不管是生產(chǎn)者還是消費者必不可少的要考慮到它的性價比。我國是稀土大國，資源豐富。永 磁電機磁路結(jié)構(gòu)設計對于是否充分利用所選用永磁材料的磁性能和便于永磁材料零件的加工、粘接與充磁，提高水磁電機的性能價 格比是至關重要的。同時滿足工作穩(wěn)定可靠，線路功耗小，壽命長等要求。計算機仿真計算可以精 確地計算電流、轉(zhuǎn)短、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)，計算模型 比 較接近電機實際運行狀況。 綜上所述，無刷直流電動機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