【文章內(nèi)容簡介】 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。 其次稀土水磁材料是由磁性粉末壓制燒結(jié)而成，質(zhì)脆難以精密加工。稀土 永磁材料構(gòu)成的零件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，就越難以加工、粘接和磁化。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。這些對永 磁電動機(jī)本體的性能價(jià)格比都有很大的影響。 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 。我國是稀土大國，資源豐富。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，簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性。這就是無刷電機(jī)優(yōu)越性所在。我國研究的稀土水磁材料在最大磁能積方面已達(dá)到國際先進(jìn)水平，生產(chǎn)能力已超過干噸，目前已能 正常批量生產(chǎn)工作溫度為 120150℃甚致更高的鉆鐵硼永久磁鐵。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。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。而且批量生產(chǎn)的永磁材料產(chǎn)品磁性能還不穩(wěn)定，分散度大，國家有關(guān)職能組織還未制定出有關(guān)稀土水磁材料性能指標(biāo)和測試方法的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此水磁材料的質(zhì)量難以保證，因而影響水磁電機(jī)質(zhì)量的穩(wěn)定性。 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。永 磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)的性能價(jià) 格比是至關(guān)重要的。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)。 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。高磁能積單向磁化的塊狀磁鐵在盤式無刷電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)中既可以得到充分利用，又便于加工、粘接和充磁，無刷電機(jī)本體的性能價(jià)格比最高 。 設(shè)計(jì)方法初探 無刷 直流電動機(jī)具有良好的性能 ， 用途廣泛，在各種不同場合下使用，對電機(jī)和驅(qū)動器均有不同的要求。要 滿足不同的要求，就要有正確的設(shè)計(jì)方法。由于無田直流電動機(jī)是 要機(jī) 電一體化的，電機(jī)的設(shè) 計(jì) 要考慮電樞繞組與換向驅(qū)動的組合方式以及位置傳感器形式 ， 然后才能對電動機(jī)的磁路和電路系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。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)。同時(shí)滿足工作穩(wěn)定可靠，線路功耗小，壽命長等要求。 采用的 方法 ：磁路計(jì)算仍采用場化為路的經(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)生的氣隙磁場是按正弦波分布的．對于氣隙中某一固定點(diǎn)，在電動機(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。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)。 1)大功率無刷直流電動機(jī)繞組電感大小對電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩 影響較大，尤其是高速無刷直流電動機(jī)，繞組電感會使電機(jī)機(jī)械特性． 客觀感、呈 現(xiàn)下凹曲線，呈非線 性。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。 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)。 4）對于方波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)，計(jì)算電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩 等性能時(shí)，可以利用電機(jī)穩(wěn) 態(tài)運(yùn)行時(shí)的周期性，在某一換向周期內(nèi)，對應(yīng)具體的驅(qū)動方式．建立正確的數(shù)學(xué)模型，并采 用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算 上述幾種方法設(shè)計(jì)無刷直流電動機(jī)各有特點(diǎn)，直流設(shè)計(jì)法最簡單，人們也很熟悉。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。計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算可以精 確地計(jì)算電流、轉(zhuǎn)短、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)，計(jì)算模型 比 較接近電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況。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。 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 。因此，有刷直流電動機(jī)必須有一個(gè)滑動的接觸機(jī)構(gòu) 電刷和換向器，通過它們把電流反饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。無刷直流電動機(jī)與前者相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞。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。 另外，在電動機(jī)內(nèi)，裝有一個(gè)位置傳感器用來檢測主轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的位置。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。 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。 電動機(jī)的本體主要是有主定子和主轉(zhuǎn)子構(gòu)成。 主定子是電動機(jī)本體的靜止部分。它是由導(dǎo)磁的定子鐵芯、導(dǎo)電的電樞繞組及固定鐵芯和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機(jī)殼、 絕緣槽楔、引出線及環(huán)氧樹脂等。 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。它是由三部分組成：永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零 部件。它們首先必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中能夠產(chǎn)生足夠的磁通。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。其次就是要滿足機(jī)械方面的要求，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定，能傳送一定的轉(zhuǎn)矩，并能夠經(jīng)受一定環(huán)境的考驗(yàn)。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。 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。電動機(jī)轉(zhuǎn)子由釹鐵硼永磁材料構(gòu)成。在定轉(zhuǎn)子形成的氣隙中產(chǎn)生 NS 極相間的方波 或正弦波 磁場。為了使電動機(jī)繞組準(zhǔn)確換向，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器 ，作為轉(zhuǎn)子極性的位置信號 。 無刷直流 電動機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖如下所示 : 圖 （ ） 無刷直流電動機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖 位置傳感器 無刷直流電動機(jī)和普通直流電動機(jī)一樣，其轉(zhuǎn)矩的獲得也是通過改變相應(yīng)電樞繞組在不同極下的電流方向，從而使轉(zhuǎn)矩總是沿 著一個(gè)預(yù)定的方向。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。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。繞組電流的導(dǎo) 7 通與截止是通過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。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。因此要求位置傳感器的位置和電樞繞組的位置之間具有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。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。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。 早期的位置傳感器也是接觸式，它的構(gòu)簡單，緊湊，用于結(jié)構(gòu)比較簡單的場合，對于它的前輩們（有刷直流電機(jī)來說） 這是一個(gè)很大的創(chuàng)新，有刷電機(jī)由于電刷而不要避免的存在著缺點(diǎn)，電刷與換向片接觸容易磨損，電刷工作時(shí)上面有較大的電流通過會生火花， 這些影響到電機(jī)的工作穩(wěn)定性和使用時(shí)限。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。但是，這種結(jié)構(gòu)仍然存在機(jī)械接觸 。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。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。 無接觸式的位置傳感器由于是在真正意義上面做到了無機(jī)械接觸的存大所以可以彌補(bǔ)上面的不足。 位置傳感器和 電動機(jī)的本體一樣，也是靜止部分和運(yùn)動部分組成，即位置傳感器的定子和位置傳感器的轉(zhuǎn)子，位置傳感器的種類很多，這里先以較常用的磁電式位置傳感器作 為典型來分析：磁電式位置傳感器的定子 ： 磁電式位置傳感器定子是由磁芯、激磁線圈、輸出線圈和罩殼等組成。 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。磁芯材料與位置傳感器定子的磁芯材料相同。非導(dǎo)磁材料為銅或者環(huán)氧樹脂等，鐵芯一般為扇形。 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。 a 霍爾元件： 位置信號是 霍爾元件拾取的。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。其工作原理如 下 圖所示。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)。其原理圖如下： 無刷直流電動機(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，其電動勢大小可由下式計(jì)算。 E=RHdBIH () RH= ???83 () 式中： RH —— 霍爾系數(shù)（ m3/C） IH—— 控制電流（ A） B —— 磁感應(yīng)強(qiáng)度（ T） ? —— 材料電阻率（ ? 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)。當(dāng)磁密 B 和霍爾元件的平面不相垂直而存在一定角度 時(shí)，霍爾電動勢的公式 相要相應(yīng)的進(jìn)行變化。 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。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。原理簡圖如下： 圖 () 霍爾集成電路 A B d 9 由式 （ ） 可見，當(dāng)霍爾元件在磁場中的位置發(fā)生變化時(shí)，霍爾電動勢的大小和方向也將發(fā)生相應(yīng)變化。 —從而起到傳感位置的作用。 由霍爾元件輸出的僅僅是微弱的電動勢信號 ，該信號還不足以驅(qū)動控制電路，必須由外加電路進(jìn)行放大處理。目前通常將霍爾 元件和有關(guān)的電子電路集成制作在同一芯片上，構(gòu)成 霍爾集成電路 。 形狀大小與小型的片狀晶體管相似。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。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(guān)信 號 ()為該電路的輸 出特性。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。 U O BHL BLH B 圖 () 輸出方波的開關(guān)信號 ： 霍 爾傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為霍爾元件、 霍 爾集成電路和 霍 爾功能組件三大類。 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。 (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、輸出級等部分組成。輸人為線性變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度，得到與磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系的輸出電壓?？捎糜诖艌鰷y量、非接觸測距、黑色金屬檢測等。其輸出特性曲線如圖 （ ） 所示 。 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。輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為數(shù)字信號。圖 5是其輸出特性曲線。這種開關(guān)的導(dǎo)通和截止過程只和外界磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小有關(guān)，而不需要磁場極性的變換。它的磁滯回線相對于零磁場軸是非對稱的。圖 （ ）顯示了這種開關(guān)電路 框圖和在交變磁場作用下的輸出特性： 圖 （ ） 交變磁場下的輸出特 性 調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器 11 (c)鎖 定型 鎖定型傳感器同樣也是由電壓 調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器、輸出級等五部分組成 。 鎖定型傳感器實(shí)質(zhì)上也是一種開關(guān)型器件，與一般霍爾開關(guān)的差別在于，它是由雙磁極激發(fā)的。 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)。也就是說電動機(jī)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(jī)邏輯分配狀態(tài)相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動機(jī)的一個(gè)換流全過程。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對數(shù)越多，則在 360。機(jī)械角度內(nèi)完成該換流 全過程的次數(shù)也就越 多 霍爾位置傳感器的設(shè)計(jì)可分為定子設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。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。轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)主要是確定充磁的極對數(shù)。 定子設(shè)計(jì) (a)霍爾元件數(shù)目的確定 開關(guān)型 霍 爾傳成器是一個(gè)雙值元件。一個(gè)雙值元件僅有 “o”和 “1”兩種狀態(tài)，兩個(gè)雙值元件便有四個(gè)狀態(tài)，而 n個(gè)雙值元件則可組成 2的 n次方個(gè)狀態(tài)。按照這樣的規(guī)律，我們可以根據(jù)電動機(jī)的分配狀態(tài)數(shù)確定所需霍 爾元件的最少個(gè)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)，因而所對應(yīng)需要的霍 爾元件數(shù)起碼是三個(gè)。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)。 但是，上述規(guī)律僅僅是從理論上考慮一個(gè)多位雙值系統(tǒng)能構(gòu)成多少個(gè)不同的狀態(tài)，只能為我們在確定 霍 爾元件的個(gè)數(shù)時(shí)提供一個(gè)大致的范圍，最后還必須使用上節(jié)所述的波形組合法，才能最終確定一個(gè)實(shí)際的位置傳感器需要多少個(gè) 霍 爾元件。 (b) 霍爾元件相隔的位置角 首先把每個(gè) 霍 爾元件所產(chǎn)生的波形等分成電動機(jī)所需要的邏輯分配狀態(tài)數(shù)，然后把它們相互留開一定的位置角后組合在 一起，倘若最終能產(chǎn)生所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)這個(gè)位置角就是可取的。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。 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì) 霍爾位置傳感器的轉(zhuǎn)子可以直接利用電動機(jī)的主轉(zhuǎn)子，也可以和主轉(zhuǎn)子 分體 安裝。如果分體安裝，那么其充磁的極對數(shù)一般設(shè)計(jì)成和電動機(jī)的主轉(zhuǎn)子一樣，以確保換向節(jié)拍和主轉(zhuǎn)子磁 極處在換向位置的時(shí)間是同步的。這樣可提高平均轉(zhuǎn)矩，同時(shí)降低轉(zhuǎn)短的波動值。 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，頻率響無刷直流電動機(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)，目前已越來越多地