【導讀】大面積擴展，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)。目前，發(fā)展中國家的空氣還在進一步惡化，我國作為世界上最大的發(fā)展中國家。環(huán)境問題已經(jīng)引起黨和國家以及人民群眾重視。等，己相繼出臺政策法規(guī)，停止有限量核發(fā)摩托車和燃油助動車的牌照。產(chǎn)出一種無污染、低噪聲的交通工具來替代摩托車和燃油助動車，已是時代的需要。動自行車正是在這樣的呼喚下，逐步走進人們的生活中。尋找替代燃油機車的交通工具。相繼開發(fā)了以天然氣、甲醇為燃料的交通工具，相比之。中國是一個自行車王國，據(jù)報道全國自行車擁有量為億。染問題，另一方面也可以提高人們的生活節(jié)奏，因此電動自行車的社會需求市場巨大，據(jù)專家預測，本世紀初，我國電動自行車年需求量將達到100萬輛以上。較大;但是目前市場上的電動自行車還或多或少存在一`些不夠完善的地方。無刷直流電機在電動自行車上的應用概況································5

　　

【正文】 大部分無刷直流電動機所產(chǎn)生的反電動勢波形，更像正弦波而不是梯形曲線，因為磁鐵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 )，無刷直流電動機在具有梯形波反電動勢和矩形波定子電流的條件下，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩從理論上說是恒定不變的，其公式由下式推出： T=1/ω （ e1i1+e2i2+e3i3） =3/Ωi aE=KtIA () 式中 Kt 一轉(zhuǎn)矩常數(shù) 故電 磁轉(zhuǎn)矩 T 按幅值進行控制，并與定子電流成正比。 L線圈電感 M互感 圖 （ ） 無刷直流電動機的設計 22 (2)電勢平衡方程式 由于傳統(tǒng)的直流電機和無刷直流電動機采用了相同的基本原理，所以似乎其基本電機常數(shù)也應相同，其電勢平衡方程式如圖（ ）所示 故機械特性與傳統(tǒng)的直流電動機也極為相似。 運行特性分析 傳統(tǒng)直流電動機的速度在基速以下調(diào)節(jié)時 (降低電壓 )，有恒定轉(zhuǎn)矩。建立在永磁無刷電機基礎上的變速驅(qū)動系統(tǒng)往往要求具備上述性能 .顯然通過控制電樞電流即通過控制器設置定子電流以及控制直流電源電壓， 可以實現(xiàn)恒磁通 控制。 為了更好地發(fā)揮無刷直流電動機的調(diào)速性能，希望實現(xiàn)在基速以上的恒功率調(diào)速，但無刷直流電動機靠永磁體來產(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，即通過削磁多少來達到，這就必須通過提前整流，即將相電流的導通區(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。 電動自行車用電動機簡易數(shù)學模型 對于永磁無刷直流方波電機，通常利用電動機本身的相變量來建立數(shù)學模型。假設磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗，三相繞組完全對稱，則三相繞組的電壓平衡方程式可表示為 ???????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbacbaeeeiiiPLMMMLMMMLiiirrrUUU.................. .......... .......................................0....00.........00.....0... () 式中： P為微分算子 P＝ d／ dt， Ua Ub Uc為定子相繞組電壓 (單位為 V)， ia ib ic定子相繞組電流 (單位為 A)， ea eb ec為定子相繞組電動勢 (單位為 V)； L為每相繞組的自感 (單位為 H)， M為每兩相繞組間的互感 (單位為 H).由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化， 23 因此定子繞組的自感和互感為常數(shù)。當三相繞組為 y連接，并且沒有中線時，則有 0??? cba iii () M iaM icM ib ??? () 將（ ）式和（ ）式代入（ 1）式可得到電壓方程式為： ??????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbacbaeeeiiiPMLMLMLiiirrrUUU. . . . .0. . . .00. . . . . .. . . .00. . . . .0. . . . .. . . . .. . . .0. . . .00. . . . .. . . .00. . . . .0... () 電磁轉(zhuǎn)矩為 ： )(1 ccbbaa ieieieT ??? ? () 無刷直流方波電機定子繞組的相 電勢為： nCnNPE en ???? 60 () 式中 Ce 為電勢常數(shù)， N 為相繞組的等效匝數(shù)， n 為電機轉(zhuǎn)數(shù)， Pn為極對數(shù)， ? 為主磁通。 由于本系統(tǒng)為 120 度的三相 PWM 逆變器，任一時該只有二相導通，因此對每一相繞組有如下的電壓平衡方程式： ??? RICU dned 2121 ? () 由此可得出： ?eddCRIUn )(21 ??? () 無刷直流電動機的設計 24 式 中： Ud Id為電機兩端的平均電壓與電流， ?R 為回路的等效總電阻，它包括電機兩相繞組和橋路開關管管壓降等的等效電阻。式 ()表明無刷直流方波電機的速度公式與普通直流電機相同，因此，無刷直流方波電機的轉(zhuǎn)速可以通過改變直流電壓 Ud來調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)的電壓 Ud是通過調(diào)節(jié) PWM的占空比來實現(xiàn)的，此即為無刷直流方波電機的 PWM調(diào)速原理。 25 第三章 自行車用無刷直流電動機的電磁設計 無刷直流電動機與有刷直流電動機相比較，在磁路結(jié)構方面，除了把永磁體置 于轉(zhuǎn)子上外，沒有特殊的地方。只由于用電子換向代替了機械換向，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。 設計無刷直流電動機，和通常設計有刷直流電動機不同。首先應該根據(jù)給定的技術指標，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）。然后才能對電動機的磁路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)進行合理設計。所謂的合理設計是指一方面要在給定的技術指標下設計出重量輕、尺寸小和經(jīng)濟指標好的電動機；另一方面，要適當?shù)倪x擇電磁參數(shù)，以便滿足電動機 的運行特性。 在電機設計中，通常稱電樞直徑 Da和電樞鐵芯計算長度 li為主要尺寸。電機的其他尺寸（包括磁路系統(tǒng)尺寸和結(jié)構尺寸），重量和技術經(jīng) 濟指標都依賴于它。在通常的電機中，主要尺寸、電動機的計算容量和電磁負荷之間存在著如下的關系： ?? ABkpnDwia 8i2 ??? （ ） 式中： aD —— 電動機電樞直徑（ cm）； li—— 電動機電樞鐵芯計算長度（ cm）； ?B —— 磁負荷即氣隙磁密（高斯）； wk —— 電樞繞組系數(shù)； i? —— 計算極弧系數(shù)； p? —— 電動機計算容量； n—— 電動機轉(zhuǎn)速； A—— 電負荷即線負荷（ A/cm） 對于直流電動機而言，起計算容量為： p? =EaIa （ ） 式中： Ea—— 直流電動機的電樞電勢 (V) Ia—— 直流電動機的電樞電流 (A) 我們知道 ,電動機的計算容量 p? 與額定輸出功率 PH 有關 ,因此由式 (31)可知 ,在技術指標給定的情況下 ,電動機的主要尺寸很大程度上取決于所選定的電磁負荷。電磁符合選得越大，電動機的尺寸便可以選得越小。但是隨著電磁負荷的增大，會使電動機發(fā)熱嚴重，效率降低。同時，電磁負荷之比 A/B 又決定了電動機的運行參數(shù)，其比例選得不合適，會使運行特性惡化。 無刷直流電動機的設計 26 在一般電激磁式直流電動機中，所選定的磁負荷可以通過激磁系統(tǒng)的設計來保證實現(xiàn)。在轉(zhuǎn)子為永久體的 無刷直流電動機中，式（ 31）在原則上仍然是適用的。但是設計者表面上卻不能任意地直接選定電磁負荷。它們的大小取決于永磁體的體積、形狀、性能和利用程度。亦就是說，電動機的尺寸依賴于永磁體及其與外磁路系統(tǒng)的配合。一定的磁路系統(tǒng)就有一定的磁狀態(tài)（ Bm,Hm）與之相對應，并對氣隙提供一定的磁通密度 Bδ ，同時，允許電樞周圍上有一定的線負荷 A。通常，用戶提出的設計任務書對電動機的功率和安裝尺寸均有明確要求，那么電動機的機號就基本上確定了。相應的電樞直徑aD ，定子磁路結(jié)構尺寸也可 確定。因此，合理地選擇際計算過程中，磁路和電路計算往往是交叉小的。需經(jīng)多次反復，才能使設計好電磁負荷，實質(zhì)上就歸結(jié)為對電動機的永磁體進行合理設計。 當然，為了滿足給定的技術指標，除了合理選定永磁體和確定主要尺寸外可，還必須有一個合適的電路系統(tǒng)與之相對應，即需要在所選定的繞組形式和驅(qū)動方式的基礎上，缺點電路諸參數(shù)。在實于完善。 磁路系統(tǒng)的設計 磁路系統(tǒng)設計的目的是要在磁鋼獲得最佳利用的基礎上，計算出磁鋼尺寸及空載和額定狀態(tài)下氣隙內(nèi)每極磁通量，以便為電路計算提供條件。這里，著重介紹磁路結(jié)構，磁鋼尺寸的確定及 磁鋼的穩(wěn)定和最佳工作點的選定等問題。 磁路結(jié)構與等效磁路圖 無刷直流電動機在磁路結(jié)構上的最大的特點就是用就久磁鋼做轉(zhuǎn)子，而定子結(jié)構基本上交流電動機相似。其轉(zhuǎn)子結(jié)構形式，主要有圓柱式，星形式和拼塊式三種。我們在本次設計中用到的是拼塊式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構 這種結(jié)構經(jīng)上述兩種復雜。它由轉(zhuǎn)軸，磁鋼，磁極體等拼裝 成轉(zhuǎn)子。 加工制造麻煩，磁鋼有交長度知短。但是，這種結(jié)構便于做成多極式，能給電樞反應去磁磁勢提供通路，故電樞反應對磁鋼的去磁作用較小。在速度較低的多極電機中，以及無刷力矩電動機中應用廣泛。 三種結(jié)構形式的磁路，均由磁鋼，軟鐵和氣隙組成。假定通過氣隙進入齒部的磁通不在電樞齒內(nèi)分流，而全部經(jīng)過軛部閉合。那么電動機空載時的磁路圖如下所示： 27 對于拼塊式磁鋼結(jié)構的多極電動機來講，電動機加負載后，由于電樞反應磁場的作用，也會使主磁場發(fā)生畸變，產(chǎn)生時而增磁，時而去磁的效果。不過則于其轉(zhuǎn)子上具有軟鐵制成的磁極，能給電樞反應去磁磁通提供通路，致使對轉(zhuǎn)子磁鋼的去磁作用大為減弱。 磁鋼的最佳工作點和穩(wěn)定方法 首先讓我們考慮 如下圖的一段磁路。它由長度為 Lm，截面 積為 Sm的磁鋼，長度為 ?L ,截機積為 ?S 的氣隙，以及軟鐵部分組成。假設軟鐵的導磁率為無窮大，則有 ： mmm VBHVH ????? 20 () 上式表明，為了在一定的氣隙內(nèi)產(chǎn)生一定的磁通，乘積 BmHm愈大，所需要的磁鋼的體積就愈小。 我們接下來討論如何獲得最大的乘積，眾所周知，位于第二象限內(nèi)的磁滯回線部分，被稱為去磁曲線。它描繪了磁鋼最終表現(xiàn)出來的宏觀特性。在一般 的情況下，含有磁鋼的磁路是在去磁曲線上工作的。在去磁曲線上不同的工作點就有不同的（ BH）值。對應于最大的（ BH）值就是磁鋼的最佳工作點。在電磁設計時，應該調(diào)整磁路系統(tǒng)的尺寸，使磁鋼盡可能的工作在最佳工作點上。 在某些含有磁鋼的磁路中，氣隙是可變的，它由磁鋼，磁軛，銜鐵，不變的漏磁氣隙和可變的工作氣隙所組成。開始時，銜鐵移至足夠遠的地方，磁鋼的工作點由它的原始漏磁導決定，在磁鋼回復系數(shù)已知的情況下，就可以計算出由去磁曲線上任意一點發(fā)出的回復直線怕具有最大有用回復能量。顯然，在去磁曲線上，總存大著一個特殊最大的 有用回復能量。在電磁設計時我們也應該調(diào)整磁路系統(tǒng)的尺寸，讓磁鋼盡可能在最大有用回復能量的條件下工作。 一般來講，永磁電動機要的磁鋼是在回復條件下工作的。因此，我們必須調(diào)整磁路無刷直流電動機的設計 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。從而保證在同樣的輸出功率的條件下，電動機具有最小的體積和重量，實現(xiàn)磁鋼的最佳利用。最佳工作點對于永磁電機而言，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，以及電機負載后電樞反應的影響種種原因，在實際設計中工作中，要獲得最佳工作點并不是輕而易舉的。有時為了滿足某些特殊的 技術指標，往往只好犧牲最佳工作點?？傊瑢嶋H上總是只能采用折衷的辦法來設計，在有特殊要求時，也可不考慮最佳工點。 由磁鋼本身的特性可知，磁鋼去磁曲線僅表明磁場強度單方從零變公到 Hc值時，其場強和磁密之間的關系。一旦從去磁曲線上某一點去掉強迫去磁場強時，磁狀態(tài)就只能沿回復直線移動。 一臺新裝配好的永磁電動機，充磁以后的原始磁狀態(tài)處于回復線的一點，而電動機運行時，轉(zhuǎn)子磁場將會受到電樞反應磁場的去磁作用，使電動機的磁狀態(tài)發(fā)生變化，磁鋼的工作點將隨著電樞反應的增磁或去磁作用在某一回復線上移 動，如果電動機在另一次運行時，經(jīng)受了比上次大的去磁作用，這時工作點將在別一條回復線上面移動了。隨負載的變公而變化，表現(xiàn)為性能不穩(wěn)定，這是我們所不愿意看到的。為此，在電動機正式投入運行以前，必須讓電動機經(jīng)受它在按照技術條件運行的整個過程中，可能遇到的最大去磁作用，從而保證它的運行性能不會再隨負載的變化而變化。我們把采取的這種措施稱為“穩(wěn)定”。通常采用的方法有下述幾種： 磁鋼轉(zhuǎn)子在裝入定子以前預先以充磁，并讓磁鋼達到飽和。然后讓充好磁的磁鋼轉(zhuǎn)子自由的處于空氣中。這是磁鋼本身的磁狀態(tài)確定為特定 的一點。這種方法叫做空氣穩(wěn)定。 磁鋼轉(zhuǎn)子在裝入定子以后再進行充磁，并使磁鋼達到飽和，此時磁鋼的磁狀態(tài)確定。然后在額定工作電壓下額定負載起動，磁鋼的工作點將沿去磁曲線下降。隨著起動過程的結(jié)束，電動機將在額定狀態(tài)下運行。用這種方法進行磁鋼的穩(wěn)定基本上正好可以把最初的工作點按照在運行過程中會遇到的最大去磁作用點確定好。 采用不同的“穩(wěn)定”方法，磁鋼的工作點就不同，其利用程度也就不同，在電動機設計時，采用的計算方法也不同。在無刷直流電動機中，為了充分利用磁鋼，通常裝配后再充磁。 電機的電樞反應分析 29 直軸電樞反應 轉(zhuǎn)子磁場是永磁無刷直流電動機的主磁場。電樞有電流時便會產(chǎn)生電樞磁勢，電樞磁勢對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。當電刷放在幾何中性線上時．普通直流電機的電樞反應磁勢與主磁場正交，只有交軸電樞反應，不存在直軸電樞反應。無刷直流電動機的電樞反應比較復雜，下面以 “星形三相六狀態(tài) ”為例對無剛直流電動機的電反應進行分析在這種情況下的狀態(tài)角為 60度電動機定子三相繞組為． A B、 C電動機運行過程中通電順序為 AB—AC一 BC一 BA—CA—CB(兩個字母連寫，第一個字母 代表的相，電流從首端進入，第二個字母代表相電流從末端進入，從而形成跳躍式旋轉(zhuǎn)磁勢。在圖 2(a)中定子磁勢用 Fa表示，轉(zhuǎn)子磁場用 Bm表示，當轉(zhuǎn)子磁場處于狀態(tài)角 a2范圍內(nèi)．電樞磁勢方向保持不變。 AB相的合成磁勢正好與 C相線圈的軸線垂直，圖 2(a)位置 1和位置 2為磁狀態(tài)角的邊界。當轉(zhuǎn)子磁場軸線由位置 1轉(zhuǎn)過 d2角到達位置 2時，轉(zhuǎn)子位置檢測器立即發(fā)出信號，通過電子換向開關將 B相繞組斷電和使 C繞組通電，這時合成磁勢跳過 120角，如圖 2(b)所示，圖中轉(zhuǎn)子位置為 C相通電之初瞬間位置。 (a) (b) 圖 ( ) 電樞磁勢和轉(zhuǎn)子磁場的關系 從圖 2可知．轉(zhuǎn)子處于位置 I時．電樞滋勢對轉(zhuǎn)子磁場有最大的去磁作用；轉(zhuǎn)子處于位置 2時，電樞磁勢對轉(zhuǎn)子磁場有最大的增值作用。對于一個狀態(tài)角來說，電樞反應開始是去磁的，隨著角度增加去磁作用逐漸減少，達到音二分之一 a2只有交磁作用，之后電樞反應變?yōu)樵龃牛嵌仍黾樱龃抛饔眉訌?。直軸電樞反應磁勢可采用文獻 2提出的方法進行計算，直軸電樞 反應磁 勢的最大值為： )2s in ( 2aFF aadm ?