【正文】 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，其電動勢大小可由下式計(jì)算。顯然，位置傳感器及其處理電路是驅(qū)動控制電路的關(guān)鍵部件。它是由三部分組成：永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零 部件。 3）大功率無刷直流電動機(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)方法對其進(jìn)行分析，這是因?yàn)闊o刷直流電動機(jī)本體是一臺永磁同步電機(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)。生產(chǎn)徑向磁化磁密均勻分布的高性能磁鐵技術(shù)還未過關(guān)，目前我國只能生產(chǎn)高磁性能的平板塊狀磁鐵和環(huán)形軸向磁化的磁鐵。 圖 電動自行車的發(fā)展離不開其所采用的核心驅(qū)動元件 —— 電機(jī) 的發(fā)展，電機(jī) 是電動自行車發(fā)展的主要標(biāo)志。 1998 年我國電動自行車的年產(chǎn)量約 6萬輛 1999 年產(chǎn)量翻番 達(dá)到 13萬輛，主要生產(chǎn)集中在華北地 區(qū)。 22 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行特性 20 位置傳感器的設(shè)計(jì) 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. 由于電動自行車的諸多優(yōu)點(diǎn)，市場需求量大，因此電動自行車在未來的發(fā)展?jié)摿Ρ葻o刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì) 2 較大 。 1 前 言 人類在進(jìn)入工業(yè)化社會之后，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，幾乎蔓延至所有國家，“厄爾尼諾現(xiàn)象”、“主尼拉現(xiàn)象”頻繁出現(xiàn)。車速低于 20Km/h，爬坡能力在 4 度上下 。Ⅰ Abstract 10 電子換向線路 19 換流線路基本設(shè)計(jì) 20 繞組連接方式、相數(shù)、槽數(shù)的選擇 23 系統(tǒng)方程式 而電動自行車因?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。由此可見，無刷直流電動機(jī)的性能價(jià)格比主要由上述三部分決定。防腐技術(shù)已經(jīng)基本解決，成品交貨價(jià)格大約 300無從 6元左右，但與國外相比，仍存在較大的差距，主要是我國生產(chǎn)的 鐵 釹 硼水磁材料的熱穩(wěn)定性的抗氧化性尚未徹底解決。因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，不能忽略電感影響； 無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì) 4 2)逆變器供電的無刷直流電動機(jī)．為了消除轉(zhuǎn)矩脈動 ， 希望使氣隙磁場分布波 形 180度，不過這是做不到的，只可能是盡可級的接近 180度。 主轉(zhuǎn)子示電動機(jī)的本體轉(zhuǎn)動部分，是產(chǎn)生激磁磁場的部件。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。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，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產(chǎn)生一電動勢 E，這種效應(yīng)稱之為霍爾效應(yīng)。 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。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。 電子換向電路的任務(wù)是將位置傳感器的輸出信號進(jìn)行解調(diào)，預(yù)放大，功率放大，然后去觸發(fā)末級功率晶體管，使電樞繞組按一定的邏輯程序饋電，保證電動機(jī)的可靠運(yùn)行。其各相繞組導(dǎo)通示意圖如圖 （ ） 所示 。即電樞固定，磁極旋轉(zhuǎn) 和永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)更為相似。 ???? ?dpTKPW uun10 () 式中： U電源電壓； Tu? 電子開關(guān)電路管壓降； W1 相繞組匝數(shù) dpK 繞組系數(shù) 無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì) 18 ?? 氣隙磁通 在電機(jī)主要尺寸確定，選擇極對數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，參照直流電機(jī)極對數(shù)選擇方法作幾個(gè)方案比較，而不是一個(gè)唯一定數(shù)。 阻抗匹配 由于傳感器的原邊與產(chǎn)生高頻波的振蕩器相連，因此須注意兩者之間的阻抗匹配。若假定定子繞組的感應(yīng)電壓： Uu， UV， Uw 是正弦的，可表達(dá)為 Uu =Keω sinθ ； () Uv=Keω sin（ θ 2π /3) () Uw= Keω sin（ θ +2π /3) () 式中： Ke 一電勢常數(shù) θ 一轉(zhuǎn)子位置角 ω =dθ ／ dt一電動機(jī)的角速度 21 如果控制定子電流 iu,iv,iw，使其與感應(yīng)電動勢同相，即 )32s in ()32s in (s in000???????????IiIiIiwvu () 則供給轉(zhuǎn)子的功率： IKiUiUiUP ewwvvuu ????? () I0 是定子電流的幅值，電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 T=P／ ω =I． 5KeIo 故轉(zhuǎn)矩了按幅值進(jìn)行控制，并與定子電流成正比。所謂的合理設(shè)計(jì)是指一方面要在給定的技術(shù)指標(biāo)下設(shè)計(jì)出重量輕、尺寸小和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好的電動機(jī)；另一方面，要適當(dāng)?shù)倪x擇電磁參數(shù)，以便滿足電動機(jī) 的運(yùn)行特性。需經(jīng)多次反復(fù)，才能使設(shè)計(jì)好電磁負(fù)荷，實(shí)質(zhì)上就歸結(jié)為對電動機(jī)的永磁體進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。 磁鋼的最佳工作點(diǎn)和穩(wěn)定方法 首先讓我們考慮 如下圖的一段磁路。最佳工作點(diǎn)對于永磁電機(jī)而言，是客觀存在的，但由于穩(wěn)磁方式的不同，外磁路飽和程度的變化，以及電機(jī)負(fù)載后電樞反應(yīng)的影響種種原因，在實(shí)際設(shè)計(jì)中工作中，要獲得最佳工作點(diǎn)并不是輕而易舉的。用這種方法進(jìn)行磁鋼的穩(wěn)定基本上正好可以把最初的工作點(diǎn)按照在運(yùn)行過程中會遇到的最大去磁作用點(diǎn)確定好。直軸電樞反應(yīng)磁勢可采用文獻(xiàn) 2這種方法叫做空氣穩(wěn)定。在電磁設(shè)計(jì)時(shí)我們也應(yīng)該調(diào)整磁路系統(tǒng)的尺寸，讓磁鋼盡可能在最大有用回復(fù)能量的條件下工作。 三種結(jié)構(gòu)形式的磁路，均由磁鋼，軟鐵和氣隙組成。一定的磁路系統(tǒng)就有一定的磁狀態(tài)（ Bm,Hm）與之相對應(yīng)，并對氣隙提供一定的磁通密度 Bδ ，同時(shí)，允許電樞周圍上有一定的線負(fù)荷 A。只由于用電子換向代替了機(jī)械換向，才使兩者在電路系統(tǒng)方面，在電樞繞組的有效利用方面，存在較大的差別。定子可采用與傳統(tǒng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)子非常相似的方式繞成，繞組原應(yīng)接于換向器升高片的位置現(xiàn)由晶體管開關(guān)所代替，應(yīng)用轉(zhuǎn)子位置傳感器和相關(guān)的邏輯電路，開關(guān)可依次接通和關(guān)斷，以仿效換向器的作用，并在定子內(nèi)產(chǎn)生了跳躍式的磁場，使永磁轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)。這了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目的，必須合理地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置傳感器。相數(shù)越多．轉(zhuǎn)矩 脈動就越小，研究和實(shí)驗(yàn)表明相近的奇數(shù)相比偶數(shù)相轉(zhuǎn)矩脈動小。 換流線路基本設(shè)計(jì) 在無刷直流電動機(jī)中，來自位置傳感器的驅(qū)動信號，按照一定的邏輯，使某些功率開關(guān)元件在某一瞬間導(dǎo)通或截止，電樞繞組內(nèi)的電流發(fā)生跳 變，從而改變主定子的磁狀態(tài)，我們把電樞繞組內(nèi)的這種電流化過程的物理現(xiàn)象稱這“換流”每換流一次，磁狀態(tài)就改變一次，這樣，在工作氣隙內(nèi)會產(chǎn)生一個(gè)跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場。 它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動勢產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動分量。這樣可提高平均轉(zhuǎn)矩，同時(shí)降低轉(zhuǎn)短的波動值。 位置傳感器的基本功能是在電動機(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)。在無刷直流電動機(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。 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。無刷直流電動機(jī)和普通永磁直流電動機(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。 綜上所述，無刷直流電動機(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 無刷直流電動機(jī)的組成方框圖 圖（ ） 無刷直流電動機(jī) 電動機(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 無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì) 6 電動機(jī)本體 無刷直流電動機(jī)是 由電動機(jī)本體和驅(qū)動器構(gòu)成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同時(shí)滿足工作穩(wěn)定可靠，線路功耗小，壽命長等要求。我國是稀土大國，資源豐富。在德國 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)分配器和過零鑒別器組合來 實(shí)現(xiàn)換流的 無附加位置傳感器的直流無刷電動機(jī)。 positional sensor。 51 最佳換向問題 31 電樞反應(yīng) 中國是一個(gè)自行車王國，據(jù)報(bào)道全國自行車擁有量為 億。環(huán)境問題已經(jīng)引起黨和國家以 及 人民群眾重視。 因此，本課題主要任務(wù)是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)來解決 無刷直流 電機(jī)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。 16 無刷直流電動機(jī)的原理與基本設(shè)計(jì) 24 運(yùn)行特性分析 51 更佳的無位置傳感無刷電機(jī)簡述 電動自行車的電機(jī)經(jīng)過十多年的發(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)、無刷電機(jī)等 多種驅(qū)動方案。 永磁 電動機(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)格比和無刷電動機(jī)磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝的合理性決定。因此在設(shè)計(jì)無刷水磁電機(jī)時(shí)要充分考慮到上述兩點(diǎn)。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，完善設(shè)計(jì)方案。此外，還要考慮到節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運(yùn)行可靠和穩(wěn)升不超過規(guī)定的范圍。所以在電動機(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。 上述霍爾元件所產(chǎn)生的電動勢很低，在應(yīng)用時(shí)往往要外接放大 器，很不方便。 BH 無刷直流電動機(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)器和輸出級等部分組成。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)，因而所對應(yīng)需要的霍 爾元件數(shù)起碼是三個(gè)。 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。下圖為無刷直電動機(jī)工作原理的方 圖。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。 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。 對于本次課程設(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 A B C D C C A AB B B C V1 V2 V3 V4 V5 V6 無刷直流電機(jī)運(yùn)行特性分析 無刷直流電動機(jī)是隨著電子技術(shù)迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機(jī)。 為了更好地發(fā)揮無刷直流電動機(jī)的調(diào)速性能，希望實(shí)現(xiàn)在基速以上的恒功率調(diào)速，但無刷直流電動機(jī)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(yīng)，即通過削磁多少來達(dá)到，這就必須通過提前整流，即將相電流的導(dǎo)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。但是隨著電磁負(fù)荷的增大，會使電動機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，效率降低。 磁路結(jié)構(gòu)與等效磁路圖 無刷直流電動機(jī)在磁路結(jié)構(gòu)上的最大的特點(diǎn)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(jī)相似。在一般 的情況下，含有磁鋼的磁路是在去磁曲線上工作的。 一臺新裝配好的永磁電動機(jī)，充磁以后的原始磁狀態(tài)處于回復(fù)線的一點(diǎn)，而電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場將會受到電樞反應(yīng)磁場的去磁作用，使電動機(jī)的磁狀態(tài)發(fā)生變化，磁鋼的工作點(diǎn)將隨著電樞反應(yīng)的增磁或去磁作用在某一回復(fù)線上移 動，如果電動機(jī)在另一次運(yùn)行時(shí)，經(jīng)受了比上次大的去磁作用，這時(shí)工作點(diǎn)將在別一條回