【正文】 不工作的那一相導(dǎo)體。而工作的兩相導(dǎo)體只受電樞反應(yīng)交軸分量的影響。由于磁路不飽和，在有效的兩相導(dǎo)體范圍內(nèi)，磁通始終不變．即每極有效磁通不變，這已被用二維有限元法算得的結(jié)果所證實(shí)。因此，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)可認(rèn)為負(fù)載磁通與空載磁通相等。交軸皮電樞反應(yīng)會(huì)改變磁極兩側(cè)的工作點(diǎn)．甚至產(chǎn)生不可逆去磁作用．使電動(dòng)機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的最大電流因而要受到限制。所以要正確計(jì)算，細(xì)心設(shè)計(jì)。 電磁設(shè)計(jì)清單1. 主要技術(shù)指標(biāo)電源電壓： 額定功率： p=120w額定轉(zhuǎn)速： nN=210 r/min額定功率： 2. 磁路結(jié)構(gòu)尺寸定子沖片材料用D42硅鋼片，（毫米）定子沖片外徑Ds Ds=17 cm 定子沖片外徑Da Da= cm 槽數(shù)Z Z=36 齒寬bz bz= cm軛高h(yuǎn)j hj= cm 齒高h(yuǎn)z hz= cm槽口寬b0 b0= cm 槽口高h(yuǎn)o ho= cm鐵芯長(zhǎng)La la=14 cm單邊氣隙 = cm轉(zhuǎn)子外徑Dr Dr=Da2=3. 磁鋼尺寸確定 轉(zhuǎn)子磁鋼材料 :結(jié)晶取向鋁鎳鈷（1） 計(jì)算容量 電動(dòng)機(jī)應(yīng)該可以連續(xù)工作，故 =H= =130 w （2） 對(duì)數(shù)p p=4（3） 磁鋼的計(jì)算休積 22=2= cm式中 HzBmH===9130 (高斯) Hmk===705A/cm c= Kv= （4）實(shí)際的磁鋼體積對(duì)于圓柱形磁鋼 cm3 （5）磁鋼尺寸 磁鋼外徑Dm Dm=Dr= 磁鋼內(nèi)徑db= cm 磁鋼的截面積Sm SM= cm2磁鋼的軸向長(zhǎng)度Lm= = 則取Lm= cm4. 磁路計(jì)算(1) 極矩 cm (2) 齒距 cm (3) 氣隙磁通 這里取極弧系數(shù)齒磁密Bz Bz== 高斯 這里取沖片疊裝系數(shù)=(4) 軛磁密 (6) 氣隙磁壓降 (A) 這里取氣隙系數(shù)= (7 （7）)齒部磁壓降 =(A)(8) 軛磁路長(zhǎng)La La= cm (9) 軛磁壓降 =La (A) （10）轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)尺寸 磁路橫截面積Sm Sm=2 磁路長(zhǎng) Lm= cm(11) 空載特性曲線計(jì)算如下圖:(12) 磁鋼去磁曲線計(jì)算磁鋼發(fā)出的磁通（轉(zhuǎn)換成氣隙磁通） =磁鋼磁勢(shì)(13) 確定磁狀態(tài) 由上圖取= wb =/= wb5 電路計(jì)算（1）電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)===113（匝） 式中 U=24 伏 =2伏 轉(zhuǎn)/分短矩系數(shù) y1 (第一節(jié)距) （以槽數(shù)為單位的極距） 分布系數(shù) (每極每相槽數(shù))m=3 (電樞繞組相數(shù)) (每槽占電角度)取匝，則實(shí)際的空載轉(zhuǎn)速為 （轉(zhuǎn)/分）（2）每槽導(dǎo)體數(shù)N 采用雙股并繞，每槽實(shí)際導(dǎo)體數(shù)為 N=2=40(3)有效槽面積 槽面積 毫米=115毫米（4）槽內(nèi)允許放置的導(dǎo)線載面積為 毫米這里取槽滿(mǎn)率（5）選取導(dǎo)線線規(guī)導(dǎo)線直徑 (毫米) (毫米) （帶絕緣導(dǎo)線直徑）導(dǎo)線截面積 毫米導(dǎo)線電阻系數(shù) (歐/米)（6）實(shí)際槽滿(mǎn)率(7) 電樞繞組元件平均半匝長(zhǎng) （厘米）這里取取繞組平均直徑 厘米（8）電樞繞組每相電阻 每相繞組導(dǎo)線總長(zhǎng) （厘米）繞組溫度為時(shí)，每相電阻 （歐）繞組溫度在時(shí) 每相電阻（歐）6主要技術(shù)指標(biāo)核算（1）額定工作時(shí)反電勢(shì)最大值（2）電樞反應(yīng)計(jì)算 起動(dòng)電流IⅡIⅡ=額定工作時(shí)平均電樞電流安額定運(yùn)行時(shí)直軸電樞反應(yīng)安匝AA 安（3）額定工作時(shí)平均電流電磁轉(zhuǎn)矩 =（額定工作時(shí)）（1）定子鐵損= 瓦/千克式中 軛鐵中單位損耗= 瓦/公斤 赫齒軛內(nèi)單位損耗== 瓦/公斤 軛鐵重 == 公斤齒鐵重 = 公斤 軛磁密 =24100 高斯 齒磁密 =16900 高斯（2）軸承磨擦損耗=式中 轉(zhuǎn)子重 =4926克磁鋼重 = 克轉(zhuǎn)子重 === 克L=21 厘米 （轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)）跟蹤轉(zhuǎn)子重 克其它部分重，取 克（3）風(fēng)損 == 瓦（4）機(jī)械損耗和鐵損P= 瓦 （5） 考慮到附加損耗后的總損耗=== （6）磨擦轉(zhuǎn)矩 克厘米（7）輸出轉(zhuǎn)矩 克厘米 (8) 輸出功率 瓦 （9）電動(dòng)機(jī)的輸入功率 瓦 （10）電動(dòng)機(jī)效率﹪ 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的總效率 該線路部分耗電一百毫安則 ％ 考慮到采用脈沖調(diào)寬穩(wěn)速，輸出功率為120瓦，所以其占空度為其結(jié)果小于1。所以還滿(mǎn)足要求。第四章 電動(dòng)自行車(chē)用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電子線路設(shè)計(jì)41 線路設(shè)計(jì)概述一臺(tái)完整的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體，位置傳感器和電子線路組成。電動(dòng)機(jī)本體和位位置傳感器的選擇和設(shè)計(jì)在前面的章節(jié)中已經(jīng)作了比較完整的論述，本章主要對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中用到的電子線路的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。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)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，從而改變了主定子的磁狀態(tài)，我們把電樞內(nèi)的這種電流變化過(guò)程的物理現(xiàn)象稱(chēng)為“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)刷直流電動(dòng)機(jī)可靠地運(yùn)行的關(guān)鍵所在。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路中的功率開(kāi)關(guān)器件，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩以及保護(hù)電機(jī)，包括過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等保護(hù)?？刂齐娐纷畛醪捎媚M電路，控制比較簡(jiǎn)單。如果將電路數(shù)字化，許多硬件工作可以直接由軟件完成，可以減少硬件電路，提高其可靠性，同時(shí)可以提高控制電路抗干擾的能力，因而控制電路由模擬電路發(fā)展到數(shù)字電路。目前，控制電路一般有專(zhuān)用集成電路、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等三種組成形式。對(duì)電機(jī)控制要求不高的場(chǎng)合，由專(zhuān)業(yè)集成電路組成控制電路是簡(jiǎn)單實(shí)用的方法；由于數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算快，外圍電路少，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、可靠，使得直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的組成大為簡(jiǎn)化，性能大大改進(jìn)，有利于電機(jī)的小型化和智能化，因而數(shù)字信號(hào)處理器是控制電路發(fā)展的方向。所以本次畢業(yè)設(shè)計(jì)按照課題要求對(duì)換流線路確定為二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)換流電路來(lái)控制電機(jī)。電動(dòng)機(jī)的主要類(lèi)型有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)三種。直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷，以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而帶來(lái)了噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)，再加上維修困難，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍，并極大地阻礙了電動(dòng)機(jī)在各個(gè)場(chǎng)合中的應(yīng)用。而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)則既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，因此，它成為各種伺服系統(tǒng)中的最佳驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。70年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問(wèn)世，都為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。一套良好的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電子線路必須工作穩(wěn)定可靠，功耗小，壽命長(zhǎng)，成本低等要求，這些就是我們?cè)O(shè)計(jì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電子線路的出發(fā)點(diǎn)。 線路基本原理 永磁無(wú)刷直流方波電機(jī)是一種新型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其相電勢(shì)為梯形波，電樞電流為120。它的基本構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)本體、控制器和位置傳感器三部分，如圖1所示。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與水磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒(méi)有籠型繞組和其它起動(dòng)裝置，其定子繞組一般制成多相，本文中討論的為三相Y接法，三相定子繞組分別與作為功率電子開(kāi)關(guān)的橋式主回路(即逆變器)中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)管連接。由于采用脈寬調(diào)制控制，因此，電子開(kāi)關(guān)電路由功率開(kāi)關(guān)單元(即驅(qū)動(dòng)電路與橋式主回路)、位置傳感器信號(hào)處理單元和脈寬調(diào)制(PWM一脈沖寬度調(diào)制)器組成，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子各相繞組通電的順序與時(shí)間。轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2P＝2，4，…)組成。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接，它將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，經(jīng)位置傳感器信號(hào)處理單元處理后，去控制功率電子開(kāi)關(guān)，使定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相隨著各相繞組按一定順序工作，在電機(jī)中就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速則由PWM信號(hào)控制。驅(qū)動(dòng)線路原理方框圖如下圖所示．它的工作原理是：位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接．接受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出給邏輯控制電路．邏輯控制電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯分析、判斷，經(jīng)過(guò)波形變換后輸出脈沖信號(hào)，供給功率邏輯開(kāi)關(guān)，使電動(dòng)機(jī)定子各相繞組按一定次序?qū)ǎ瑒t定于相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的順序換相．從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不斷按一定方向運(yùn)轉(zhuǎn)．直流電源邏輯控制電路功率邏輯開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)本體位置傳感器PWM信號(hào)發(fā)生器 圖() 驅(qū)動(dòng)線路原理方框圖 線路設(shè)計(jì)實(shí)施方案 逆變主回路 無(wú)刷直流方波電機(jī)的逆變回路由功率開(kāi)關(guān)管V1一V6組成橋式回路，如圖1所示，它是功率開(kāi)關(guān)電路的核心部分。由于采用脈寬調(diào)制控制，因此，主回路為脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM變換器。PWM變換器分為不可逆和可逆兩類(lèi)。不可逆PWM變換器僅在一、二兩個(gè)象限中運(yùn)行；可逆PWM變換器則可在四個(gè)象限中運(yùn)行，工作于正轉(zhuǎn)電動(dòng)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)電動(dòng)和反轉(zhuǎn)制動(dòng)四種狀態(tài)，因而，伺服系統(tǒng)中多采用可逆PWM變換器?？赡鍼WM變換器常用H型橋式變換器結(jié)構(gòu)型式，它在控制上分為雙極式和單極式兩種。 雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓可表示為: () ()在圖2中Uvn1 Uvn2 Uvn5 Uvn4為圖1中功率管V1 V2 V5 V4的控制電壓定義為PWM電壓的占空比。為正值時(shí)，電機(jī)為正轉(zhuǎn)，當(dāng)為負(fù)值時(shí)電機(jī)為反轉(zhuǎn)。為零時(shí)，電機(jī)停止。下圖是PWM控制電壓的波形圖： Uv1 Uv2 t Uv5 Uv4 ton t T 圖() 雙極式PWM變換器控制電壓波形 雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)為：電流一定連續(xù)；可使電機(jī)在四個(gè)象限中運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，保證了晶體管的可靠導(dǎo)通；低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍寬。雙極式可逆PWM變換器的缺點(diǎn)為：工作中，H橋的4個(gè)晶體管均處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)損耗大，而且上、下兩管容易發(fā)生橋臂直通，降低了可靠性。為了防止上、下兩管直通，在一管關(guān)斷另一管導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)加以邏輯延時(shí) 驅(qū)動(dòng)電路 脈寬調(diào)制器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯延時(shí)后，與位置傳感器信號(hào)處理電路輸出的電機(jī)繞組選通信號(hào)合成后，送給驅(qū)動(dòng)電路做功率放大，以驅(qū)動(dòng)橋式主回路的電力晶體管，保證它飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷，每個(gè)電力晶體管應(yīng)有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，橋臂上部晶體管的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)采用浮地驅(qū)動(dòng)技術(shù)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)集成電路已經(jīng)出現(xiàn)。如具有六路驅(qū)動(dòng)電路的集成芯片，甚至驅(qū)動(dòng)電路與橋式逆變主回路集成在一起的驅(qū)動(dòng)功率模塊也已出現(xiàn)，它們具有集成度高、可靠性高、速度快、過(guò)流欠壓等保護(hù)齊備、調(diào)試方便等特點(diǎn)，這對(duì)于縮小控制器的體積、提高可靠性具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。 本文所討論的控制器設(shè)計(jì)采用了驅(qū)動(dòng)電路與式逆變主回路集成在一起的驅(qū)動(dòng)功率模塊來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路與三相橋式主回路。它是三相無(wú)刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊，其特點(diǎn)如下： ．體積／J、僅為76．2mm53．34mm9．91mm 高效的IGBT三相逆變橋，內(nèi)含快速反向恢復(fù)二極管 六個(gè)獨(dú)立的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)含DC—DC 變換器，提供浮地電源和基準(zhǔn)電源，具有橋臂直通保護(hù)功能，驅(qū)動(dòng)模塊能被5V或15V邏輯電平直接驅(qū)動(dòng) 具有保護(hù)輸入端子，能擴(kuò)展成短路、過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù) 六狀態(tài)梯形波或正弦波驅(qū)動(dòng) 四象限運(yùn)行 額定電壓500V 額定電流30A 開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)25kHz 筆者設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流方波電機(jī)控制器已應(yīng)用在幾種型號(hào)的機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)中，實(shí)踐證明用其設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流方波電機(jī)控制器體積小、可靠性高、調(diào)試方便，完全能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。 脈寬調(diào)制器 脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓脈沖變換裝置，由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓進(jìn)行控制，為PWM變換器提供所需的脈沖信號(hào)，其脈沖寬度與控制電壓成正比。常用的脈寬調(diào)制器有以下幾種：