【正文】 ，與一般霍爾開關(guān)的差別在于，它是由雙磁極激發(fā)的。可用于磁場測量、非接觸測距、黑色金屬檢測等。 形狀大小與小型的片狀晶體管相似。 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是其法線 方向的分量 cos? ,此時(shí)霍爾電勢為： E=KHIH cos? 其中 KH= dRH () 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)。非導(dǎo)磁材料為銅或者環(huán)氧樹脂等，鐵芯一般為扇形。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 為小電流接觸，然后通過放大而把電源加到電樞繞組中去。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位置。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。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。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)動控制線路提供必要的參考。驅(qū)動器的設(shè)計(jì)要以電機(jī)的電流，電感等參數(shù)為依據(jù)。 C．電機(jī)的制造工藝性影響到電機(jī)的制造過程，進(jìn)而影響到電機(jī)的成本。 B．永磁無刷電動機(jī)一個(gè)大的原材料部份就是所用到的永磁材料，其對電機(jī)的性價(jià)比也有很大的影響 。目前，國內(nèi)市場上電動自行車使用的電機(jī)有三種：有刷電機(jī)、有位置傳感器無刷電機(jī)和無刷無位置傳感器電機(jī)。隨著比霍爾元件靈敏度高千倍左右的光敏二極管的出現(xiàn)，在 20世紀(jì) 80 年代前后，又試制成功了借助光敏二極管實(shí)現(xiàn)換流的直流無刷電機(jī)。 電動自行車并不是簡單地在自行車上加上電池和電動機(jī)，而是包括電池、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電機(jī)四大塊，并 已 采用了很多的新技術(shù)和新材料。 關(guān)鍵詞 ： 無刷電機(jī) ； 位置傳感器； PWM 控制器 無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì) II The design of without coal brushless ABSTRACT: Brushless DC motor is rapidly development new motor in the recently, and it widely used in industry、 agriculture and in the army. The better governing speed characteristic is kept and the mechanical touch between brushes and mutator is removed as well in brushless DC Motors. This paper intends to make a better design on the , the key part of the new style electric bicycle, after the detailed analysis. The without coal brushless is in a new style, with higher work rate, less wear and tear and lower noise. This kind of motor discussed in this paper, is operated with electronic system pletely, in the speed of 25km per hour, covering the distance of 64km each time it is charged. The motor is 6kg in weight, with the power of 350w and voltage is over the normal levels in the rate close to 85 00 . This kind of motor discussed in this paper also a brushless DC square wave motor. So the design method of controller is also introduced, The prehensive index of the functions of this kind of motor is much better than of all the traditional ones with coal brushes. Keywords： Brushless Motor。 52 一個(gè)先進(jìn)的控制算法 30 磁路結(jié)構(gòu)與等效磁路圖 16 無刷直流電動機(jī)的工作原理 使用有刷直流電動機(jī)容易解決電壓的換向問題，但是噪音大，而且碳刷容易磨損、損壞，增大維護(hù)、維修難度、增加使用成本 。相繼開發(fā)了以天然氣、甲醇為燃料的交通工具，相比之下，電動車以零污染、高效率、低噪音的特點(diǎn)被認(rèn)為是真正的“綠色”交通工具，而電動汽車受到機(jī)電、電池的限制，批量進(jìn)入市場還有一定的難度，電動自行車卻得到迅速的發(fā)展。溫室效應(yīng)給工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成的損失，無法估量。 隨著我國改革 開放的深入，人民的生活水平日益提高，在家用轎 車還沒有 普及 的情況下，摩托車和燃油助動車得以廣泛使用，這給我國城市的環(huán)境問題 帶來很大壓力，例如在上海市， 1995 年中心城區(qū)內(nèi)機(jī)動車的一氧化碳、非甲 烷有機(jī)物和氧化氮排污負(fù)荷分別占該區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的排放總量的 76%、 93%和 44%。 目前，我國市場上國產(chǎn)電動自行車的品種規(guī)格較多，驅(qū)動多數(shù)用有刷或無刷的輪式直流電機(jī)，工作電壓為 24V、 36V 或 48V，功率在 150W400W 之間 。 本論文主要內(nèi)容包括 : l、 介紹了無刷直流電動機(jī)的主體結(jié)構(gòu)和具體工作原理，在給定的技術(shù)要求的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)作了電機(jī)電磁設(shè)計(jì)，位置傳感器選擇，驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)用到了較先進(jìn)的 PWM控制等工作。 44 線路基本工作原理 45 無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì) 4 第 五 章 有待深入解的幾個(gè)問題 56 附錄 A 無刷直流電動機(jī)總裝圖 B 定子沖片圖 I 無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì) 摘 要： 無 刷直流電動機(jī)是近年迅速興起的一種新型電機(jī)，它廣泛應(yīng)用與工業(yè) ， 無刷直流電動機(jī)是近年迅速興起的一種新型電機(jī)，它廣 泛應(yīng)用與工業(yè)，農(nóng)業(yè)，以及軍事等領(lǐng)域。前幾年，人們選擇了燃油助動車，但由于燃油助動車采用小容量二沖程汽油發(fā)動機(jī)為動力，其廢氣排放濃度是一般轎車的 3－ 5 倍，其 污染問題引起了社會各界和主管部門的高度重視。經(jīng)過市驗(yàn)證目 前較為成熟的有兩大類：一類是帶減速齒輪的有刷電機(jī)， 別外一種是不帶減速齒輪的直接驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)?，F(xiàn)代的無刷直流電動機(jī)，其構(gòu)造實(shí)際上是 1臺永磁式步進(jìn)電動機(jī) (一種水磁式同步電動機(jī) )。由于高性能永磁電機(jī)所用的稀土水磁材料的成本約占電機(jī)總成本的 50％左右，因此在永磁電動機(jī)磁路結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)時(shí)，如何充分發(fā)揮所選用的永磁材料的作用，提高它的利用率成了最 重要的問題。這就是無刷電機(jī)優(yōu)越性所在。 目前我國水磁材料生產(chǎn)廠家只能提供高磁能積單向磁化的塊狀磁鐵和環(huán)形軸向磁化的磁鐵。這對分析由直流源供電的小功率無刷直通電動機(jī)是可行的，而分析由逆變器供電的大功率無刷直流電動機(jī)則誤差較大，尤其是對于氣隙磁場分布接近方波及方波電壓 驅(qū)動的無刷直流電動機(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)。 5 第二章 自行車用無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 眾所周知，有刷直流電動機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的電樞、和固定的磁場 。 主定子是電動機(jī)本體的靜止部分。 電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。而功率品體管的導(dǎo)通與截 止是由位置傳感器信號控制的。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。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。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。工程中希望 B11—1l、BL—11,BH值盡可能小些，這樣以便對 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。輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為數(shù)字信號。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對數(shù)越多，則在 360。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)。 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機(jī)的位置傳感器 。根據(jù)比奧 .薩乏定律：如果磁場中有一載流導(dǎo)體，且導(dǎo)體與磁場方向相互垂直，則作用在載導(dǎo)體上的電磁力應(yīng)為 : f=IBL () 式中 I流過導(dǎo)體的電流 B磁通密度 L載流導(dǎo)體的有效長度 這個(gè)力形成了作用在線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩。 圖（ ）逆變器主電路圖 電子換向逆變器主電路如圖 （ ） 示， AA、 BB、 CC 代表直流無刷電動機(jī)的三相定子繞組， 采用 Y型連結(jié)，逆變器為兩兩通電方式， 1200 導(dǎo)電型。 圖（ ） 應(yīng)該指出，在無刷直流電動機(jī)中，電樞繞組和相應(yīng)的功率開關(guān)元件的數(shù)目不可能很多，所以，與有刷電動機(jī)相比，它產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩波動要大一些 電樞繞組的連接方式 無刷直流電動機(jī)的電樞繞組與交流電動機(jī)的字子繞組類似，基本上有星形繞組和封閉式繞組兩類，它們的換向線路一般有上橋式和非橋式之分。由于換流是無刷直流電動機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵所在，故有必要對此作較詳細(xì)的分析。 繞組相數(shù)選擇應(yīng)該考慮到：繞組的利用程度、電子開關(guān)電路的復(fù)雜程度及成本、轉(zhuǎn)矩脈動及電子元件應(yīng)力等，根據(jù)不同的使用條件來綜合決定相數(shù)。 極數(shù)選擇 無刷直流電動機(jī)的磁極對數(shù)戶與電機(jī)轉(zhuǎn)速 n之間不像 永隨同步電動機(jī)有著嚴(yán)格 的如下式的 對應(yīng)關(guān)系 ： Pfn 60? () 式中： f為同步電動機(jī)供電頻率。 槽數(shù)選擇 有些資料認(rèn)為無刷直流電 機(jī)的槽數(shù)應(yīng)為相數(shù)和極對數(shù)的整數(shù)倍，這是針對微型無刷直流電動機(jī)注意 采用整距集中繞組而言。如此，傳感器的定轉(zhuǎn)子磁芯均要采用高頻磁性材料。傳統(tǒng)的直流電動機(jī)存在換向器，因而存在碳刷磨損和碳刷粉末玷污線圈絕緣及其它零部件問題，由此帶來火花、維護(hù)困難、壽命短等致命缺陷，但直流電動機(jī)的調(diào)速性能好，起動性能好，控制性能好，故在調(diào)速性能要求高的場合，可用直流電動機(jī)。無刷直流電動機(jī)的簡圖如下圖所示。 電動自行車用電動機(jī)簡易數(shù)學(xué)模型 對于永磁無刷直流方波電機(jī)，通常利用電動機(jī)本身的相變量來建立數(shù)學(xué)模型。首先應(yīng)該根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)，選擇合理的電樞繞組和電子換向電路的組合方式，以及與之相對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器形式（或選擇無位置傳感器的控制方式）。同時(shí)，電磁負(fù)荷之比 A/B 又決定了電動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，其比例選得不合適，會使運(yùn)行特性惡化。相應(yīng)的電樞直徑aD ，定子磁路結(jié)構(gòu)尺寸也可 確定。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，主要有圓柱式，星形式和拼塊式三種。那么電動機(jī)空載時(shí)的磁路圖如下所示： 27 對于拼塊式磁鋼結(jié)構(gòu)的多極電動機(jī)來講，電動機(jī)加負(fù)載后，由于電樞反應(yīng)磁場的作用，也會使主磁場發(fā)生畸變，產(chǎn)生時(shí)而增磁，時(shí)而去磁的效果。在去磁曲線上不同的工作點(diǎn)就有不同的（ BH）值。因此，我們必須調(diào)整磁路無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì) 28 和電路系統(tǒng)的參數(shù)，使得磁鋼向工作氣隙提供的有用能量最大。隨負(fù)載的變公而變化，表現(xiàn)為性能不穩(wěn)定，這是我們所不愿意看到的。然后在額定工作電壓下額定負(fù)載起動，磁鋼的工作點(diǎn)將沿去磁曲線下降。無刷直流電動機(jī)的電樞反應(yīng)比較復(fù)雜，下面以 “星形三相六狀態(tài) ”為例對無剛直流電動機(jī)的電反應(yīng)進(jìn)行分析在這種情況下的狀態(tài)角為 60度電動機(jī)定子三相繞組為． A B、 C電動機(jī)運(yùn)行過程中通電順序?yàn)?AB—AC一 BC一 BA—CA—CB(兩個(gè)字母連寫，第一個(gè)字母 代表的相，電流從首端進(jìn)入，第二個(gè)字母代表相電流從末端進(jìn)入，從而形成跳躍式旋轉(zhuǎn)磁勢