【正文】 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比有刷電機(jī)大。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％。 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。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。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。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。 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 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相數(shù)，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)。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。與它們相配合的電子換向?yàn)闃蚴健? 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。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。下圖為無(wú)刷直電動(dòng)機(jī)工作原理的方 圖。 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)。 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。首先假設(shè)轉(zhuǎn)子處于圖 （ ）(a)的位置，若此時(shí)使 V V4 導(dǎo)通，則電流從 B 端 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 14 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 v v5 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)，依次類推，如果每隔60度 電角度順序使 v5和 v v1 和 v v1 和 v v3 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（ ） 15 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。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 換相三次，相當(dāng)于只有三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī)。 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)。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 13 抽向片 II，線圈 dcba,到換向片 I，最后仍從電刷 B 流出。根據(jù)左手定則。 當(dāng)接上電 源后，電流 I 從電刷 A 流進(jìn)去，經(jīng)過(guò)換向片 I，線圈 abcd 到換向片 II，然后由電刷 B 流出。因此，不妨先介紹一下有刷直電動(dòng)機(jī)的工作原理。 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)電子換向電路的基本要求是： A） 線路簡(jiǎn)單； B） 運(yùn)行穩(wěn)定可 靠； C） 體積小，重量輕； D） 功率損耗??； E） 能夠按照位置傳感器的信號(hào)進(jìn)行正確換向，并能控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)； F） 能夠滿足不同環(huán)境條件的要求； 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理與基本設(shè)計(jì) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 電子換向線路 電子換向電路和位置傳感器相配合，起到與機(jī)械換向器類似的作用，所以，電子換向電路也好似無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷接觸換向的一個(gè)重要組成部分。 霍 爾傳感器是名目繁多的傳感器中重要的一個(gè)家族，因其具有穩(wěn)定、可靠，頻率響無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 12 應(yīng)寬、體積小，結(jié)構(gòu)牢固，易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，目前已越來(lái)越多地被用于無(wú) 刷直流電動(dòng)機(jī)中。如果分體安裝，那么其充磁的極對(duì)數(shù)一般設(shè)計(jì)成和電動(dòng)機(jī)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(shí)間是同步的。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(jìn)行等分。 但是，上述規(guī)律僅僅是從理論上考慮一個(gè)多位雙值系統(tǒng)能構(gòu)成多少個(gè)不同的狀態(tài)，只能為我們?cè)诖_定 霍 爾元件的個(gè)數(shù)時(shí)提供一個(gè)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(gè)實(shí)際的位置傳感器需要多少個(gè) 霍 爾元件。例如二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)的電機(jī)，在一個(gè) 電周期內(nèi)需要六 個(gè)不同的狀態(tài)，二個(gè)霍爾元件產(chǎn)生不了六個(gè)狀態(tài)，因而所對(duì)應(yīng)需要的霍 爾元件數(shù)起碼是三個(gè)。一個(gè)雙值元件僅有 “o”和 “1”兩種狀態(tài)，兩個(gè)雙值元件便有四個(gè)狀態(tài)，而 n個(gè)雙值元件則可組成 2的 n次方個(gè)狀態(tài)。轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)主要是確定充磁的極對(duì)數(shù)。機(jī)械角度內(nèi)完成該換流 全過(guò)程的次數(shù)也就越 多 霍爾位置傳感器的設(shè)計(jì)可分為定子設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)電動(dòng)機(jī)傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)磁極 (N、 S極 )的轉(zhuǎn)角，就要產(chǎn)生出與電機(jī)邏輯分配狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動(dòng)機(jī)的一個(gè)換流全過(guò)程。 鎖定型傳感器實(shí)質(zhì)上也是一種開(kāi)關(guān)型器件，與一般霍爾開(kāi)關(guān)的差別在于，它是由雙磁極激發(fā)的。它的磁滯回線相對(duì)于零磁場(chǎng)軸是非對(duì)稱的。圖 5是其輸出特性曲線。 BH 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 10 圖 （ ） (b)開(kāi)關(guān)型 開(kāi)關(guān)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(jí)等部分組成?？捎糜诖艌?chǎng)測(cè)量、非接觸測(cè)距、黑色金屬檢測(cè)等。 (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(jí)等部分組成。 U O BHL BLH B 圖 () 輸出方波的開(kāi)關(guān)信號(hào) ： 霍 爾傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為霍爾元件、 霍 爾集成電路和 霍 爾功能組件三大類。電路由三端電源穩(wěn)壓電路 A，霍爾元件 B，差動(dòng)放大器 C，施密特觸發(fā)器整形電路 D以及集電極 開(kāi)路 (O． C)輸 出級(jí) E幾部分構(gòu)成，輸 出為方波的開(kāi)關(guān)信 號(hào) ()為該電路的輸 出特性。 形狀大小與小型的片狀晶體管相似。 由霍爾元件輸出的僅僅是微弱的電動(dòng)勢(shì)信號(hào) ，該信號(hào)還不足以驅(qū)動(dòng)控制電路，必須由外加電路進(jìn)行放大處理。原理簡(jiǎn)圖如下： 圖 () 霍爾集成電路 A B d 9 由式 （ ） 可見(jiàn)，當(dāng)霍爾元件在磁場(chǎng)中的位置發(fā)生變化時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小和方向也將發(fā)生相應(yīng)變化。 上述霍爾元件所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，在應(yīng)用時(shí)往往要外接放大 器，很不方便。 m） 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B和霍爾元件的平面法線成一定角度 ? ，實(shí)際上作用于霍爾元件的有效磁場(chǎng)是其法線 方向的分量 cos? ,此時(shí)霍爾電勢(shì)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(dǎo)體材料厚度 (cm)。其原理圖如下： 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 8 圖（ ）霍爾效應(yīng)原理圖 霍爾效應(yīng)的極性取決于半導(dǎo)體材料是 P型還是 N 型，其電動(dòng)勢(shì)大小可由下式計(jì)算。其工作原理如 下 圖所示。 a 霍爾元件： 位置信號(hào)是 霍爾元件拾取的。非導(dǎo)磁材料為銅或者環(huán)氧樹(shù)脂等，鐵芯一般為扇形。 磁電式位置傳感器的 轉(zhuǎn)子：這種位置傳感器轉(zhuǎn)子由導(dǎo)磁材料（鐵芯）和非導(dǎo)磁材料（襯套）組成。 無(wú)接觸式的位置傳感器由于是在真正意義上面做到了無(wú)機(jī)械接觸的存大所以可以彌補(bǔ)上面的不足。所以在電動(dòng)機(jī)工作上行個(gè)小時(shí)后，傳感器由于接觸次數(shù)的上升還是發(fā)生較大的磨損。而早期的位置傳感器把有刷電機(jī)的大電流的 直接接觸 （電源通過(guò)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(guò)放大而把電源加到電樞繞組中去。顯然，位置傳感器及其處理電路是驅(qū)動(dòng)控制電路的關(guān)鍵部件。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(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。繞組電流的導(dǎo) 7 通與截止是通過(guò)與繞組相連接的功率晶體管的導(dǎo)通與截止去實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須有位置傳感器，傳感和確認(rèn)磁極和繞組之間的相對(duì)位置。為了使電動(dòng)機(jī)繞組準(zhǔn)確換向，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器 ，作為轉(zhuǎn)子極性的位置信號(hào) 。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由釹鐵硼永磁材料構(gòu)成。此外，還要考慮到節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、運(yùn)行可靠和穩(wěn)升不超過(guò)規(guī)定的范圍。電樞繞組允許通過(guò)一定的電流，以便產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。它是由三部分組成：永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零 部件。它是由導(dǎo)磁的定子鐵芯、導(dǎo)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(jī)殼、 絕緣槽楔、引出線及環(huán)氧樹(shù)脂等。 電動(dòng)機(jī)的本體主要是有主定子和主轉(zhuǎn)子構(gòu)成。它與電子換向線路一起，代替了有刷電機(jī)的機(jī)械換向裝置。這樣，電子換向線路中的開(kāi)關(guān)元件，如晶體管或可控硅等可與電樞繞組連接。因此，有刷直流電動(dòng)機(jī)必須有一個(gè)滑動(dòng)的接觸機(jī)構(gòu) 電刷和換向器，通過(guò)它們把電流反饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。因此，這三種設(shè)計(jì)方法是可相互補(bǔ)充，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的研究對(duì)象、選擇不同的設(shè)計(jì)方法來(lái) 達(dá)到所要求的參數(shù)，并通過(guò)樣 機(jī)實(shí)測(cè)，完善設(shè)計(jì)方案。交流設(shè)計(jì)法可得到直流 設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法 得 到的 一些電機(jī)參數(shù)，為驅(qū)動(dòng)控制線路提供必要的參考。 3）大功率無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)除采用直流電機(jī)設(shè)計(jì) 法外，還可用交流同步電 機(jī)理論和設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行分析，這是因?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體是一臺(tái)永磁同步電機(jī)，采用同步電機(jī)理論分析中的矢量方法，可反映出無(wú)刷 直流電動(dòng)機(jī)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)。 1)大功率無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組電感大小對(duì)電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩 影響較大，尤其是高速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，繞組電感會(huì)使電機(jī)機(jī)械特性． 客觀感、呈 現(xiàn)下凹曲線，呈非線 性。 采用的 方法 ：磁路計(jì)算仍采用場(chǎng)化為路的經(jīng)典法，電路計(jì)算時(shí)作了如下假 設(shè) (a)認(rèn)為由轉(zhuǎn)子 磁鋼產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)是按正弦波分布的．對(duì)于氣隙中某一固定點(diǎn)，在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí) 該處磁 密在時(shí)間上按正弦規(guī)律變化， （ b)忽略電樞繞組的電 感。驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要以電機(jī)的電流，電感等參數(shù)為依據(jù)。要 滿足不同的要求，就要有正確的設(shè)計(jì)方法。高磁能積單向磁化的塊狀磁鐵在盤(pán)式無(wú)刷電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)中既可以得到充分利用，又便于加工、粘接和充磁，無(wú)刷電機(jī)本體的性能價(jià)格比最高 。因此在設(shè)計(jì)無(wú)刷水磁電機(jī)時(shí)要充分考慮到上述兩點(diǎn)。 C．電機(jī)的制造工藝性影響到電機(jī)的制造過(guò)程，進(jìn)而影響到電機(jī)的成本。生產(chǎn)徑向磁化磁密均勻分布的高性能磁鐵技術(shù)還未過(guò)關(guān)，目前我國(guó)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。我國(guó)研究的稀土水磁材料在最大磁能積方面已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，生產(chǎn)能力已超過(guò)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。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(jī) 位置 傳感器 3 造電機(jī)可以大幅度地提高電機(jī)效率，節(jié)約能源，可以大大減少電機(jī)的重量，提高電機(jī)的運(yùn)行性能，簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性。 B．永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)一個(gè)大的原材料部份就是所用到的永磁材料，其對(duì)電機(jī)的性價(jià)比也有很大的影響 。因此在 永 磁電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 時(shí)，要考慮到水磁材料零件結(jié)構(gòu)形狀要便于加工、粘接和磁化。 其次稀土水磁材料是由磁性粉末壓制燒結(jié)而成，質(zhì)脆難以精密加工。 永磁 電動(dòng)機(jī)本體的性能價(jià)格比主要由所選用的永磁材料本身的性能價(jià)格比和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝的合理性決定。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上電動(dòng)自行車(chē)使用的電機(jī)有三種：有刷電機(jī)、有位置傳感器無(wú)刷電機(jī)和無(wú)刷無(wú)位置傳感器電機(jī)。 圖 電動(dòng)自行車(chē)的發(fā)展離不開(kāi)其所采用的核心驅(qū)動(dòng)元