【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電磁力應(yīng)為:f=IBL () 式中I流過(guò)導(dǎo)體的電流 B磁通密度 L載流導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度這個(gè)力形成了作用在線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則。線圈在這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，將按逆時(shí)針?lè)较蚶讋?dòng)。當(dāng)載流導(dǎo)體轉(zhuǎn)過(guò)180電角度后，電流I還是從電刷A進(jìn)去，經(jīng)由抽向片II，線圈dcba,到換向片I，最后仍從電刷B流出。可見(jiàn)，在有刷直流電動(dòng)機(jī)中，就是借助電刷換向片中，使得在某一磁極下，雖然導(dǎo)體在不斷更替，但只有外加電壓的極性不變，由導(dǎo)體中流過(guò)的電流方向始終不變，作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向始終不變，這就是有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向的本質(zhì)。 一般的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其作用是氣隙中建立磁場(chǎng)，其電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，由電力電子逆變器供給電樞繞組的電流并不是正弦波而是120度的方波，因而三相合成磁動(dòng)勢(shì)不是恒速旋轉(zhuǎn)的，而是跳躍式的步進(jìn)磁動(dòng)勢(shì)。它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動(dòng)分量。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的過(guò)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(dòng)電動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，與直流有刷電動(dòng)機(jī)不同，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電樞轉(zhuǎn)一圈，定子繞組只換相6次，每個(gè)極下?lián)Q相三次，相當(dāng)于只有三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī)。 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(wú)刷電動(dòng)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。首先假設(shè)轉(zhuǎn)子處于圖（）(a)的位置，若此時(shí)使VV4導(dǎo)通，則電流從B端圖（）無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理圖流入，A端流出，定子磁動(dòng)勢(shì)為Fa，如圖（）(a)示，在Fa的作用下，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到圖（）(b)的位置時(shí)，如果使vv5導(dǎo)通，則電流由c端流入，A端流出，定子磁動(dòng)勢(shì)為Fb，在Fb的作用下，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，依次類(lèi)推，如果每隔60度電角度順序使v5和vv1和vv1和vv3和v2兩兩導(dǎo)通，即可使定子磁動(dòng)勢(shì)分別如圖2()(c)、圖()(d)、圖()(e)、圖()(f)所示，從而形成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，在這個(gè)磁動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，如果使開(kāi)關(guān)管反復(fù)按上述規(guī)律導(dǎo)通， 圖（）即可使轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，且定子磁動(dòng)勢(shì)總是超前于轉(zhuǎn)子磁極軸線角度60度一120度之間。其各相繞組導(dǎo)通示意圖如圖（）所示。由上述的分析可見(jiàn)，要使直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)正確的換相運(yùn)行，必須知道圖（）所示的六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置，六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置即對(duì)應(yīng)著直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)后的300(電角度)處。如果是有位置傳感器直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，則可以通過(guò)傳感器來(lái)直接獲得轉(zhuǎn)子的六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置的信息，如果是無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，則需要通過(guò)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組的反電勢(shì)直接或間接的獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。在無(wú)刷直流電動(dòng)中，借助反映主轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)電子換向通天路去驅(qū)動(dòng)懷電樞繞組聯(lián)接的相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)元件，使電樞繞組依次饋電，從而在主定子上產(chǎn)主生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷地送出信號(hào)，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)接觸式換流過(guò)程的實(shí)質(zhì)。下圖為無(wú)刷直電動(dòng)機(jī)工作原理的方圖。直流電源控制電路永磁電機(jī)位置傳感器圖（）應(yīng)該指出，在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組和相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)元件的數(shù)目不可能很多，所以，與有刷電動(dòng)機(jī)相比，它產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要大一些 電樞繞組的連接方式 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組與交流電動(dòng)機(jī)的字子繞組類(lèi)似，基本上有星形繞組和封閉式繞組兩類(lèi)，它們的換向線路一般有上橋式和非橋式之分。這樣，電樞繞組與換向線路相組合時(shí)，其形式是多種多樣的。歸納起來(lái)可分為下列幾種：a. 星形繞組此類(lèi)接法系把所有繞組的首端接在一起。 與它們相配合的電子換向線路可以為樣式連接也可以為非橋式連接。b. 封閉式繞組 封閉式繞組是由各相繞組組成封閉形，退職第一相繞組的尾端與第二相繞組的首端相連接，第二相繞組的尾端再與第三相繞組的首端相連接，依次類(lèi)推，直至最后一相繞組的尾端又與第一相繞組的首端相連接。與它們相配合的電子換向?yàn)闃蚴健? 換流線路基本設(shè)計(jì) 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，來(lái)自位置傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，按照一定的邏輯，使某些功率開(kāi)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(guò)程的物理現(xiàn)象稱(chēng)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。為了使無(wú)刷直電動(dòng)機(jī)可靠地運(yùn)生，就應(yīng)該正確地進(jìn)行換流。由于換流是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵所在，故有必要對(duì)此作較詳細(xì)的分析。下面是本次設(shè)計(jì)所用到的換流繞組形式：圖（） 三相星形橋式接法，槽數(shù)及繞組方式的選擇 無(wú)別直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)不同，是“反裝式”或“里翻外”結(jié)構(gòu)。即電樞固定，磁極旋轉(zhuǎn)和永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更為相似。電樞鐵心也是由硅鋼片疊成，鐵心有齒槽．放置多相繞組，與有刷直流電動(dòng)機(jī)不同，工作過(guò)程中(電流)應(yīng)該是換相，而不是換向。在無(wú)刷電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，電樞繞組的相數(shù)、極數(shù)、槽數(shù)、繞組的排列及連接方式有較多選擇自由，不同選擇對(duì)電機(jī)性能有重要影響。本節(jié)簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)應(yīng)遵從的規(guī)律和選擇時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。相數(shù)選擇無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，電樞放置多相繞組，多相繞組由功率電子元件的開(kāi)關(guān)電路供電，不受工頻電源限制，電樞繞組相數(shù)可在較大范圍內(nèi)選擇。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。 繞組相數(shù)選擇應(yīng)該考慮到：繞組的利用程度、電子開(kāi)關(guān)電路的復(fù)雜程度及成本、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電子元件應(yīng)力等，根據(jù)不同的使用條件來(lái)綜合決定相數(shù)。11繞組利用程度 在有刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的任何時(shí)刻繞組里所有導(dǎo)體都通電，除換向元件外，都產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。而在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組是依次一相一相通電(或幾相通電)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從這個(gè)角度看，相數(shù)越多，繞組利用程度越低。給出兩臺(tái)三相及四相單極型無(wú)刷直流電機(jī)對(duì)比，兩臺(tái)電機(jī)具有相同的尺寸、電壓、控制電路布局及鐵耗．四相電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度大9％，用銅量增加36％。12電子線路復(fù)雜程度及成本 相數(shù)增加，所用開(kāi)關(guān)元件數(shù)增加，電路復(fù)雜，成本也增高。13轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比有刷電機(jī)大。相數(shù)越多．轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)小。14電子元件的應(yīng)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(yīng)力減少。 極數(shù)選擇 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)戶(hù)與電機(jī)轉(zhuǎn)速n之間不像永隨同步電動(dòng)機(jī)有著嚴(yán)格的如下式的對(duì)應(yīng)關(guān)系： ()式中：f為同步電動(dòng)機(jī)供電頻率。但無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)(通過(guò)反電勢(shì))有一定的約束關(guān)系，以三相星形橋式六狀態(tài)電路為例 理想空載轉(zhuǎn)速n。 () 式中： U電源電壓； 電子開(kāi)關(guān)電路管壓降； W1 相繞組匝數(shù) 繞組系數(shù) 氣隙磁通在電機(jī)主要尺寸確定，選擇極對(duì)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(duì)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)。21極對(duì)數(shù)與材料利用率 若氣隙磁密及電摳直徑不變，2pФw實(shí)際不變。隨著極數(shù)增加，每極磁通減少，使得電摳軛及定子軛部減少．用銅用鐵量減少，所以外轉(zhuǎn)子低速運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)刷電機(jī)多數(shù)選取極數(shù)較多。23 極對(duì)數(shù)與電機(jī)效率 隨著極對(duì)數(shù)增加，鐵芯磁場(chǎng)交變頻率增高，鐵耗增加，電子器件換向損耗增加。雖然電樞電流密度不變時(shí)，銅耗略有降低，電動(dòng)機(jī)的效率還是隨著極對(duì)數(shù)的增加而降低。24 極對(duì)數(shù)與電感 極對(duì)數(shù)增多，電樞每相電感減少，對(duì)換相有利。槽數(shù)選擇 有些資料認(rèn)為無(wú)刷直流電機(jī)的槽數(shù)應(yīng)為相數(shù)和極對(duì)數(shù)的整數(shù)倍，這是針對(duì)微型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)注意采用整距集中繞組而言。例如二對(duì)極三相時(shí)指數(shù)應(yīng)為12。為了構(gòu)成多相對(duì)稱(chēng)繞組，指數(shù)必須是相數(shù)的整數(shù)倍，但不一定是極數(shù)的整數(shù)倍。隨著功率增大或外轉(zhuǎn)子應(yīng)用，為了改善電機(jī)性能，電樞繞組也可以采用分?jǐn)?shù)繞組， 其中q為每相槽數(shù)，可為整數(shù)也可為分?jǐn)?shù)。轉(zhuǎn)子位置傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)中，主要起兩個(gè)作用。一是通過(guò)它檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處的位置，以便確定電子換向及驅(qū)動(dòng)線路的中功率晶體管的導(dǎo)通角；二是確定電子換向電路及驅(qū)動(dòng)線路中功率晶體管的導(dǎo)通角，從而確定電樞磁場(chǎng)的磁狀態(tài)。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。這里我們主要就磁電式位置傳感器設(shè)計(jì)時(shí)要需要注意的問(wèn)題作一簡(jiǎn)要的介紹磁芯材樣的選擇磁電式位置傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(guò)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(hào)。如此，傳感器的定轉(zhuǎn)子磁芯均要采用高頻磁性材料?？刹捎肕X200等鐵氧體材料。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。否則就會(huì)破壞振蕩器的起振件而造成停振，或者需要振蕩器輸出很大的功率而增加了線路的功耗。一般而言，與功率晶體管導(dǎo)通角相對(duì)。因此當(dāng)無(wú)直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組和電子換向線路確定以后，也隨著確定。確定這個(gè)角度時(shí)為了保證連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生死點(diǎn)，必須要有過(guò)渡導(dǎo)通狀態(tài)(短時(shí)間的兩相導(dǎo)能狀態(tài)) 應(yīng)稍大于理論值，一般可比理論值大十度左右就可以了。對(duì)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 繞組、功率管 導(dǎo)通順序 A B C DC CAABBBCV1V2V3V4V5V6 無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行特性分析 無(wú)刷直流電動(dòng)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)。傳統(tǒng)的直流電動(dòng)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(wèn)題，由此帶來(lái)火花、維護(hù)困難、壽命短等致命缺陷，但直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能好，起動(dòng)性能好，控制性能好，故在調(diào)速性能要求高的場(chǎng)合，可用直流電動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)做得和交流電動(dòng)機(jī)一樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐用，而又具有良好的性能。對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本上有二個(gè)方案：一種方案，電動(dòng)機(jī)由逆變器傳動(dòng)，逆變器把一個(gè)直流電源轉(zhuǎn)化成其頻率同時(shí)與轉(zhuǎn)子速度相對(duì)應(yīng)的三相電壓，這種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)自控同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子用永磁體，也稱(chēng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，它由整流器、逆變器、轉(zhuǎn)子位置傳感器、同步電動(dòng)機(jī)和控制電路組成，位置傳感器安裝在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上，用它反饋信號(hào)使相電流與對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同步，可以獲得恒轉(zhuǎn)矩。它不象一般的同步電動(dòng)機(jī)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相電壓和相應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的相量角在設(shè)定了位置傳感器之后，通常是不變的，因此隨著電機(jī)負(fù)載和速度的變化，電動(dòng)機(jī)的功率因素角相應(yīng)地從超前向滯后變化，并且相應(yīng)的電樞反應(yīng)引起磁場(chǎng)增強(qiáng)和削弱，這樣電動(dòng)機(jī)的輸出功率也受到影響。另一種方案，由受控制的變換器和同步電動(dòng)機(jī)并用，它由變換器、同步電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和邏輯電路組成。同步電動(dòng)機(jī)是指多相(三、四、五相等)電樞繞組定子和永磁體轉(zhuǎn)子。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(kāi)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(kāi)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(chǎng)，使永磁轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)。故無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)有相同的工作原理。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)圖如下圖所示。 圖（） 系統(tǒng)方程式(1)電磁轉(zhuǎn)矩公式 對(duì)于第一種方案，電動(dòng)機(jī)有一個(gè)位置傳感器安裝在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上，用位置反饋信號(hào)使電流與對(duì)應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同步，目的是獲得恒轉(zhuǎn)矩。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 =Keωsinθ； ()Uv=Keωsin（θ2π/3) ()Uw= Keωsin（θ+2π/3) ()式中：Ke一電勢(shì)常數(shù)θ一轉(zhuǎn)子位置角ω=dθ／dt一電動(dòng)機(jī)的角速度如果控制定子電流iu,iv,iw，使其與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同相，即 ()則供給轉(zhuǎn)子的功率： ()I0是定子電流的幅值，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為T(mén)=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。 第二種方案：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由直流電源供電，三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的繞組按Y接法，梯形控制電路供有直接輸送到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子上的電流，為矩形電流，電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生梯形波反電動(dòng)勢(shì)(但為梯形控制電路設(shè)計(jì)的大部分無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形，更像正弦波而不是梯形曲線，因?yàn)榇盆F磁通密度分布不可能完全是矩形，定子繞組的電感部位使其兩角變得有些圓)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在具有梯形波反電動(dòng)勢(shì)和矩形波定子電流的條件下，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩從理論上說(shuō)是恒定不變的，其公式由下式推出：T=1/ω（e1i1+e2i2+e3i3）=3/ΩiaE=KtIA ()式中Kt一轉(zhuǎn)矩常數(shù) 故電磁轉(zhuǎn)矩T按幅值進(jìn)行控制，并與定子電流成正比。L線圈電感 M互感圖 （）(2)電勢(shì)平衡方程式由于傳統(tǒng)的直流電機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用了相同的基本原理，所以似乎其基本電機(jī)常數(shù)也應(yīng)相同，其電勢(shì)平衡方程式如圖（）所示故機(jī)械特性與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)也極為相似。 運(yùn)行特性分