【正文】 的功率和效率，而且會加大功率器件的電壓應力。雖然通過補償?shù)姆绞娇梢詼p小開關(guān)器件的電壓應力，但是遠距離傳輸所帶來的耦合系數(shù)低這個問題卻沒有辦法解決，本文就以非接觸變壓器為研究對象，對其進行了優(yōu)化設(shè)計，基于 ANSYS仿真軟件進行了仿真比較，并且以所設(shè)計的 1 kW松耦合諧振變換器的松耦合變壓器進行了測試，給出了自感、漏感和耦合系數(shù)隨氣隙變化的曲線，就仿真與實驗的差距給出了詳細的理論分析。1 松耦合感應能量傳輸圖 1 耦合感應能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)將單相或三相交流市電整流為直流電供給松耦合變換器，變換器的輸出經(jīng)過整流獲得直流電供給負載。對于電池負載來說，最佳方法是采用恒流充電的方式，變換器就需要采用恒流源的拓撲。對于滑動式無接觸能量傳輸系統(tǒng)，進行長距離供電時通常需要一定的開關(guān)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)初級繞組的分段式供電，提高傳輸效率。對于整個系統(tǒng)來說，核心部分為帶有松耦合變壓器的變換器。對于大功率充電器來說選用全橋拓撲比較合適，全橋諧振變換器的電路原理圖如圖 2所示。 圖 2 中 Vin為輸入電壓，S1~S4 是開關(guān)管；虛線框內(nèi)表示的就是松耦合變壓器；副邊電壓經(jīng)過整流之后供給負載。松耦合變壓器最主要的缺點就是漏感值比傳統(tǒng)緊耦合變壓器漏感值大得多，這樣就會在開關(guān)器件上產(chǎn)生很大的電壓尖峰。解決這個問題的方法就是加入補償電容使之與漏感發(fā)生諧振，漏感在開關(guān)過程中的電壓尖峰被電容電壓完全抵消。同時，諧振電路起到了濾波的作用。原邊電路加上補償后原邊獲得了正弦電流，此時，對于電路的分析可以大大簡化，并且松耦合變壓器對外界的電磁干擾也降到最低。但是補償電容并不能增大互感值，也就是耦合系數(shù)由變壓器的結(jié)構(gòu)本身決定。因為耦合系數(shù)反映了系統(tǒng)的功率傳輸能力，所以如何提高松耦合變壓器的耦合系數(shù)是研究非接觸式能量傳輸系統(tǒng)中的一個重要問題。圖 2 耦合全橋變換器電路原理圖2 松耦合變壓器 圖 3（a）和圖 3（b）分別為松耦合變壓器實物示意圖和原理圖。（a） 松耦合變壓器實物示意圖 （b） 松耦合變壓器原理圖圖 3 松耦合變壓器 與傳統(tǒng)變壓器的不同是在原邊磁芯和副邊磁芯之間有很大的氣隙，雖然通過補償?shù)姆绞娇梢詫⑤^大的漏感的影響抵消掉，但是，耦合系數(shù)卻不能提高。本文就在相同氣隙前提下如何提高兩個耦合電感的耦合系數(shù)進行了建模仿真, 并且根據(jù)所設(shè)計的一臺 1 kW 松耦合全橋諧振變換器的耦合變壓器進行了實驗數(shù)據(jù)測試，對實驗與仿真的差異進行了理論分析。 步進電機的原理及驅(qū)動電路 步進電機的原理 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機分三種：反應式（VR） ，永磁式（PM）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 或 15度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 ，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家 80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 度而五相步進角一般為 度。這種步進電機的應用最為廣泛。一般步進電機的精度為步進角的 35%，且不累積。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130度以上，有的甚至高達攝氏 200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 8090度完全正常。1. 反應式步進電機（1）結(jié)構(gòu)電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒（1，2，3，4，5） ，電機定子有三個勵磁繞阻（A，B，C） ，A與齒 1相對齊，B 與齒 2錯開 1/3て，C 與齒 3錯開 2/3て，A 與齒 5相對齊...。將定子和轉(zhuǎn)子展開如圖 43所示： (圖表 43 步進電機結(jié)構(gòu)圖)（2）旋轉(zhuǎn)如 A相通電，B、C 相不通電時，由于磁場作用，齒 1與 A對齊；如 B相通電，A、C 相不通電時，齒 2應與 B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3て，此時齒 3與 C偏移為 1/3て，齒 4與 A偏移 2/3て；如 C相通電，A、B 相不通電，齒 3應與 C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3て，此時齒 4與 A偏移為 1/3て對齊；如 A相通電，B、C 相不通電，齒 4與 A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3て。 這樣經(jīng)過 A、B、C、A 分別通電，齒 4移到 A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按 A、B、C、A...通電，電機就向右旋轉(zhuǎn)；如按 A、C、B、A……通電，電機就向左轉(zhuǎn)。由此可見：電機的位置和速度由導電脈沖數(shù)和頻率成一一對應關(guān)系，而方向由導電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮，往往采用 AABBBC－CCAA這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3て改變?yōu)?1/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3て變?yōu)?1/12て，1/24 て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。但經(jīng)過理論分析及大量的實驗證明：細分數(shù)如果超過 10，電機帶負載后，就會產(chǎn)生跳步和失步現(xiàn)象。 不難推出：電機定子上有 m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 （3）力矩電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量 Ф） 。當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度時，產(chǎn)生的吸引力 F=K*dФ/dθ 成正比。其中磁通量 Ф=Br*S（Br=N*I/R 為磁密，S 為導磁面積，N*I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R 為磁阻） ，θ 為錯齒量，K 為系數(shù)?？梢姡現(xiàn) 與L*D*Br成正比（ L 為鐵芯有效長度，D 為轉(zhuǎn)子直徑） 。 力矩=F*D/2，因此，力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（設(shè)為線性狀態(tài)） ，即電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。（永磁式）永磁式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行（必須采用雙極電壓驅(qū)動） ，而反應式電機則不能如此。 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相） ，這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 步進電機的特性相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、S 磁場的磁極線圈對數(shù)，常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即 ABBCCDDAAB，四相八拍運行方式即 AABBBCCCDDDAA。 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示。θ=360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)） ，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50齒電機為例。四拍運行時步距角為 θ=360 度/（50*4）= 度（俗稱整步） ，八拍運行時步距角為 θ=360 度/（50*8）= 度（俗稱半步） 。 每轉(zhuǎn)步數(shù)：電機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過的步數(shù)。 定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 。 保持扭矩：電機繞組通電不轉(zhuǎn)動時的最大輸出扭矩值。工作扭矩：電機繞組通電轉(zhuǎn)動時的最大輸出扭矩值。注意：保持扭距比工作扭矩大，選電機是要以工作扭矩為選擇依據(jù)。靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。（1）步距角精度步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在 5%之內(nèi)，八拍運行時應在 15%以內(nèi)。（2）失步失步電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。（3）失調(diào)角轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 （4）最大空載起動頻率電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 （5）最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。這個速度遠大于啟動頻率。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如圖 44所示。其中，曲線 3電流最大、或電壓最高；曲線 1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。（圖 44 轉(zhuǎn)距圖） 步進電機的驅(qū)動單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源進行對繞組供電，它的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)。它只有一個電源，電路中的限流電阻 R1決定了時間常數(shù)，但 R1太大會使繞組供電電流減小，這一矛盾不能解決時，會使電機的高頻性能下降，可在 R1兩端并聯(lián)一個電容，以使電流的上升波形變陡，改善高頻特性，但這樣做又是低頻性能變差，單電壓驅(qū)動一般適合于小功率步進電機的驅(qū)動。力轉(zhuǎn)距驅(qū)動器2頻率負載3左步進電機1112 33 用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動。 雙電壓驅(qū)動有兩種方法：雙電壓法和高電壓法。雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動，在高頻段使用較高的電壓驅(qū)動。當電動機在低頻工作時，給 T1低電平，使 T1關(guān)閉，這時電動機的繞組由低電壓 VL供電，控制脈沖通過 T2使繞組得到低電壓脈沖電源。當電動機在高頻工作時，給 T1高電平使T1打開，這時蓄流二極管反向截止，切斷低電壓源 VL，電動機繞組由高電壓 VH供電，控制脈沖通過 T2使繞組得到高電壓。步進電機的驅(qū)動方式還有許多種，像斬波驅(qū)動、細分驅(qū)動、以及用集成電路進行驅(qū)動等，都可以完成步進電機的功能，結(jié)合具體情況加以選擇最合適的驅(qū)動方式。根據(jù)多功能吸塵器的需要以及降低成本。本次設(shè)計步進電機的驅(qū)動采用單電壓驅(qū)動，根據(jù)電源要求步進電機的供電電壓為 12V，其驅(qū)動電路的原理與前面介紹的單電壓驅(qū)動相同，其電路圖如圖 45。左側(cè)輸入由單片機發(fā)出的脈沖， 經(jīng)過反向器的反向控制，在低電平三極管導通，使光電隔離器工作從而使右側(cè)的三極管接通使步進電機的繞組通電，不斷的導通與斷開使步進電機開始工作旋轉(zhuǎn)。（圖 05 步進電機驅(qū)動電路）第五章 電動風機的工作原理及驅(qū)動 電動風機的工作原理 多功能吸塵器主要是利用電動機帶動葉輪旋轉(zhuǎn)時,在密封殼體內(nèi)產(chǎn)生空氣負壓,吸取塵埃碎屑，電動機和葉輪組合一體,稱為電動風機系統(tǒng),電動風機系統(tǒng)是多功能吸塵器中關(guān)鍵件，一般的家用吸塵器電動風機系統(tǒng)功率(輸入電功率)從幾十瓦到一千瓦以上,較大功率的電風機系統(tǒng)一般都采用單相串勵電動機驅(qū)動,電動風機系統(tǒng)在吸塵器工作時,工況不斷變化風量最大時,吸入真空度為零,此時稱為電風機系統(tǒng)的短路狀態(tài)。吸入真空度為最高時,風量最小此時稱為電風機系統(tǒng)的空載狀態(tài),電風機系統(tǒng)的最大輸入功率、最大流量、最大真空度等都是電風機系統(tǒng)的重要技術(shù)指標，而吸塵器在進行風箱試驗時,吸入口在 電風機系統(tǒng)的額定狀態(tài)。由于多功能吸塵器選用了車用吸塵器的風機樣式，所以多功能吸塵器的的風機由永磁直流電機和葉輪等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)和上面介紹的大功率風機結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于多功能吸塵器電動風機的電機是鐵氧體永磁直流電機，用 12V直流電源供電，大功率風機用交流 220V家用電源供電，全自動吸塵器的電動風機和大功率風機一樣要求電動機有很高的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速不低于 10000r/min. 表 格 01 電動風機主要參數(shù) 電動風機的特