【文章內(nèi)容簡介】 成本約占電機總成本的 50％左右，因此在永磁電動機磁路結構 設計時，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而成，質(zhì)脆難以精密加工。稀土 永磁材料構成的零件結構越復雜，就越難以加工、粘接和磁化。因此在 永 磁電機結構設計 時，要考慮到水磁材料零件結構形狀要便于加工、粘接和磁化。這些對永 磁電動機本體的性能價格比都有很大的影響。 B．永磁無刷電動機一個大的原材料部份就是所用到的永磁材料，其對電機的性價比也有很大的影響 。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 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，簡化電機結構，提高電機運行的可靠性。這就是無刷電機優(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到國際先進水平，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。防腐技術已經(jīng)基本解決，成品交貨價格大約 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還未過關，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，國家有關職能組織還未制定出有關稀土水磁材料性能指標和測試方法的統(tǒng)一標準，因此水磁材料的質(zhì)量難以保證，因而影響水磁電機質(zhì)量的穩(wěn)定性。 C．電機的制造工藝性影響到電機的制造過程，進而影響到電機的成本。永 磁電機磁路結構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。因此在設計無刷水磁電機時要充分考慮到上述兩點。 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磁路結構中既可以得到充分利用，又便于加工、粘接和充磁，無刷電機本體的性能價格比最高 。 設計方法初探 無刷 直流電動機具有良好的性能 ， 用途廣泛，在各種不同場合下使用，對電機和驅(qū)動器均有不同的要求。要 滿足不同的要求，就要有正確的設計方法。由于無田直流電動機是 要機 電一體化的，電機的設 計 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 ， 然后才能對電動機的磁路和電路系統(tǒng)進行合理設計。驅(qū)動器的設計要以電機的電流，電感等參數(shù)為依據(jù)。同時滿足工作穩(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。這對分析由直流源供電的小功率無刷直通電動機是可行的，而分析由逆變器供電的大功率無刷直流電動機則誤差較大，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設計分析，若仍沿用上述方法，其計算結果和實際相差甚遠。 1)大功率無刷直流電動機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，繞組電感會使電機機械特性． 客觀感、呈 現(xiàn)下凹曲線，呈非線 性。因此，在電機設計時，不能忽略電感影響； 無刷直流電動機的設計 4 2)逆變器供電的無刷直流電動機．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除采用直流電機設計 法外，還可用交流同步電 機理論和設計方法對其進行分析，這是因為無刷直流電動機本體是一臺永磁同步電機，采用同步電機理論分析中的矢量方法，可反映出無刷 直流電動機本身的一些內(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，計算電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩 等性能時，可以利用電機穩(wěn) 態(tài)運行時的周期性，在某一換向周期內(nèi)，對應具體的驅(qū)動方式．建立正確的數(shù)學模型，并采 用計算機仿真計算 上述幾種方法設計無刷直流電動機各有特點，直流設計法最簡單，人們也很熟悉。交流設計法可得到直流 設計時無法 得 到的 一些電機參數(shù)，為驅(qū)動控制線路提供必要的參考。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。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。 5 第二章 自行車用無刷直流電動機的結構和原理 無刷直流電動機的結構 眾所周知，有刷直流電動機具有旋轉(zhuǎn)的電樞、和固定的磁場 。因此，有刷直流電動機必須有一個滑動的接觸機構 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，在電動機內(nèi)，裝有一個位置傳感器用來檢測主轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置。它與電子換向線路一起，代替了有刷電機的機械換向裝置。 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） 電子換向線路 圖（ ）是 無刷直流電動機的組成方框圖 圖（ ） 無刷直流電動機 電動機本體 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 無刷直流電動機的設計 6 電動機本體 無刷直流電動機是 由電動機本體和驅(qū)動器構成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。 電動機的本體主要是有主定子和主轉(zhuǎn)子構成。 主定子是電動機本體的靜止部分。它是由導磁的定子鐵芯、導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，如機殼、 絕緣槽楔、引出線及環(huán)氧樹脂等。 主轉(zhuǎn)子示電動機的本體轉(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。其次就是要滿足機械方面的要求，保證機械結構牢固和穩(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。此外，還要考慮到節(jié)約材料、結構簡單、緊湊、運行可靠和穩(wěn)升不超過規(guī)定的范圍。 電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機轉(zhuǎn)子由釹鐵硼永磁材料構成。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。為了使電動機繞組準確換向，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器 ，作為轉(zhuǎn)子極性的位置信號 。 無刷直流 電動機的機構簡圖如下所示 : 圖 （ ） 無刷直流電動機機構簡圖 位置傳感器 無刷直流電動機和普通直流電動機一樣，其轉(zhuǎn)矩的獲得也是通過改變相應電樞繞組在不同極下的電流方向，從而使轉(zhuǎn)矩總是沿 著一個預定的方向。為了實現(xiàn)這一點，必須有位置傳感器，傳感和確認磁極和繞組之間的相對位置。無刷直流電動機和普通永磁直流電動機不同，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 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。而功率品體管的導通與截 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格的對應關系。以保證功率晶體管在正確的轉(zhuǎn)子位置時導通與截止。顯然，位置傳感器及其處理電路是驅(qū)動控制電路的關鍵部件。 早期的位置傳感器也是接觸式，它的構簡單，緊湊，用于結構比較簡單的場合，對于它的前輩們（有刷直流電機來說） 這是一個很大的創(chuàng)新，有刷電機由于電刷而不要避免的存在著缺點，電刷與換向片接觸容易磨損，電刷工作時上面有較大的電流通過會生火花， 這些影響到電機的工作穩(wěn)定性和使用時限。而早期的位置傳感器把有刷電機的大電流的 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，這種結構仍然存在機械接觸 。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。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械接觸的存大所以可以彌補上面的不足。 位置傳感器和 電動機的本體一樣，也是靜止部分和運動部分組成，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)子由導磁材料（鐵芯）和非導磁材料（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。它是一種半導體器件，采用銻化銦 (Insb]和砷化鎵(CaAs)材料，利用霍爾效應制成的。其工作原理如 下 圖所示。如果某一薄片半導體中電流 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構成的平 面相垂直的方向上會產(chǎn)生一電動勢 E，這種效應稱之為霍爾效應。其原理圖如下： 無刷直流電動機的設計 8 圖（ ）霍爾效應原理圖 霍爾效應的極性取決于半導體材料是 P型還是 N 型，其電動勢大小可由下式計算。 E=RHdBIH () RH= ???83 () 式中： RH —— 霍爾系數(shù)（ m3/C） IH—— 控制電流（ A） B —— 磁感應強度（ T） ? —— 材料電阻率（ ? m） 當磁感應強度 B和霍爾元件的平面法線成一定角度 ? ，實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 是半導體材料厚度 (cm)。當磁密 B 和霍爾元件的平面不相垂直而存在一定角度 時，霍爾電動勢的公式 相要相應的進行變化。 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。隨著半導體集成技術的發(fā)展，將霍爾元件與半導體集成電路一起制作在同一塊硅外延片上，這就構成了霍爾集成電路。原理簡圖如下： 圖 () 霍爾集成電路 A B d 9 由式 （ ） 可見，當霍爾元件在磁場中的位置發(fā)生變化時，霍爾電動勢的大小和方向也將發(fā)生相應變化。 —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，必須由外加電路進行放大處理。目前通常將霍爾 元件和有關的電子電路集成制作在同一芯片上，構成 霍爾集成電路 。 形狀大小與小型的片狀晶體管相似。在無刷直流電動機中通常選用開關型霍爾集成電路，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幾部分構成，輸 出為方波的開關信 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．從而在電路運行時高低電平占空比更趨一致，以達到提高電機性能的目的。 U O BHL BLH B 圖 () 輸出方波的開關信號 ： 霍 爾傳感器按其結構可分為霍爾元件、 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用可分為線性型、開關型、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強度，得到與磁感應強度成線性關系的輸出電壓?？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。輸入為磁感應強度，輸出為數(shù)字信號。圖 5是其輸出特性曲線。這種開關的導通和截止過程只和外界磁感應強度的大小有關，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 。 鎖定型傳感器實質(zhì)上也是一種開關型器件，與一般霍爾開關的差別在于，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的每一個電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關狀態(tài)數(shù)。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。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對數(shù)越多，則在 360。機械角度內(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計可分為定子設計和轉(zhuǎn)子設計。定子設計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)子設計主要是確定充磁的極對數(shù)。 定子設計 (a)霍爾元件數(shù)目的確定 開關型 霍 爾傳成器是一個雙值元件。一個雙值元件僅有 “o”和 “1”兩種狀態(tài)，兩個雙值元件便有四個狀態(tài)，而 n個雙值元件則可組成 2的 n次方個狀態(tài)。按照這樣的規(guī)律，我們可以根據(jù)電動機的分配狀態(tài)數(shù)確定所需霍 爾元件的最少個數(shù)。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。而五相十狀態(tài)電機，所需的 霍 爾元件數(shù)起碼是四個。 但是，上述規(guī)律僅僅是從理論上考慮一個多位雙值系統(tǒng)能構成多少個不同的狀態(tài)，只能為我們在確定 霍 爾元件的個數(shù)時提供一個大致的范圍，最后還必須使用上節(jié)所述的波形組合法，才能最終確定一個實際的位置傳感器需要多少個 霍 爾元件。 (b) 霍爾元件相隔的位置角 首先把每個 霍 爾元件所產(chǎn)生的波形等分成電動機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)生所要求的開關狀態(tài)數(shù)這個位置角就是可取的。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)進行等分。 轉(zhuǎn)子設計 霍爾位置傳感器的轉(zhuǎn)子可以直接利用電動機的主轉(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)一般設計成和電動機的主轉(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間是同步的。這樣可提高平均轉(zhuǎn)矩，同時降低轉(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，結構牢固，易于安裝等優(yōu)點，目前已越來越多地