【正文】 步電動(dòng)機(jī) )。由此可見，無刷直流電動(dòng)機(jī)的性能價(jià)格比主要由上述三部分決定。第一代電動(dòng)自行車使用的 是有刷高速繞組式電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)3000 轉(zhuǎn)左 右，通過齒輪減速，其噪音大，效率低，故障 率高；第二代電動(dòng)自行車使用的是有刷低速電機(jī)或有位置傳感器的無刷電機(jī)，其噪音、故障率有所下降，效率有所提高，但維護(hù)、安裝難度還是比較大； 第三代電動(dòng)自行車使用的 是無刷無位置傳感器的稀土永磁電機(jī)，其噪音小，效率高，維護(hù)、安裝都比較方便。 電動(dòng)自行車用無刷電機(jī)的性 價(jià)比因素 A．電動(dòng)自行車是一種商業(yè)產(chǎn)品，所以不管是生產(chǎn)者還是消費(fèi)者必不可少的要考慮到它的性價(jià)比。由于高性能永磁電機(jī)所用的稀土水磁材料的成本約占電機(jī)總成本的 50％左右，因此在永磁電動(dòng)機(jī)磁路結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)時(shí)，如何充分發(fā)揮所選用的永磁材料的作用，提高它的利用率成了最 重要的問題。稀土 永磁材料構(gòu)成的零件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，就越難以加工、粘接和磁化。這些對永 磁電動(dòng)機(jī)本體的性能價(jià)格比都有很大的影響。我國是稀土大國，資源豐富。這就是無刷電機(jī)優(yōu)越性所在。防腐技術(shù)已經(jīng)基本解決，成品交貨價(jià)格大約 300無從 6元左右，但與國外相比，仍存在較大的差距，主要是我國生產(chǎn)的 鐵 釹 硼水磁材料的熱穩(wěn)定性的抗氧化性尚未徹底解決。而且批量生產(chǎn)的永磁材料產(chǎn)品磁性能還不穩(wěn)定，分散度大，國家有關(guān)職能組織還未制定出有關(guān)稀土水磁材料性能指標(biāo)和測試方法的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此水磁材料的質(zhì)量難以保證，因而影響水磁電機(jī)質(zhì)量的穩(wěn)定性。永 磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于是否充分利用所選用永磁材料的磁性能和便于永磁材料零件的加工、粘接與充磁，提高水磁電機(jī)的性能價(jià) 格比是至關(guān)重要的。 目前我國水磁材料生產(chǎn)廠家只能提供高磁能積單向磁化的塊狀磁鐵和環(huán)形軸向磁化的磁鐵。 設(shè)計(jì)方法初探 無刷 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的性能 ， 用途廣泛，在各種不同場合下使用，對電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器均有不同的要求。由于無田直流電動(dòng)機(jī)是 要機(jī) 電一體化的，電機(jī)的設(shè) 計(jì) 要考慮電樞繞組與換向驅(qū)動(dòng)的組合方式以及位置傳感器形式 ， 然后才能對電動(dòng)機(jī)的磁路和電路系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。同時(shí)滿足工作穩(wěn)定可靠，線路功耗小，壽命長等要求。這對分析由直流源供電的小功率無刷直通電動(dòng)機(jī)是可行的，而分析由逆變器供電的大功率無刷直流電動(dòng)機(jī)則誤差較大，尤其是對于氣隙磁場分布接近方波及方波電壓 驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析，若仍沿用上述方法，其計(jì)算結(jié)果和實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，不能忽略電感影響； 無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 4 2)逆變器供電的無刷直流電動(dòng)機(jī)．為了消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) ， 希望使氣隙磁場分布波 形 180度，不過這是做不到的，只可能是盡可級(jí)的接近 180度。 4）對于方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)，計(jì)算電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩 等性能時(shí)，可以利用電機(jī)穩(wěn) 態(tài)運(yùn)行時(shí)的周期性，在某一換向周期內(nèi)，對應(yīng)具體的驅(qū)動(dòng)方式．建立正確的數(shù)學(xué)模型，并采 用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算 上述幾種方法設(shè)計(jì)無刷直流電動(dòng)機(jī)各有特點(diǎn)，直流設(shè)計(jì)法最簡單，人們也很熟悉。計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算可以精 確地計(jì)算電流、轉(zhuǎn)短、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)，計(jì)算模型 比 較接近電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況。 5 第二章 自行車用無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 眾所周知，有刷直流電動(dòng)機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的電樞、和固定的磁場 。無刷直流電動(dòng)機(jī)與前者相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞。 另外，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)，裝有一個(gè)位置傳感器用來檢測主轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的位置。 綜上所述，無刷直流電動(dòng)機(jī)由下列三大部分組成 （ 1） 繞組的定 子和永磁轉(zhuǎn)子 （ 2） 位置傳感器 （ 3） 電子換向線路 圖（ ）是 無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成方框圖 圖（ ） 無刷直流電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)本體 位置傳感器 電子換向線路 主定子 主轉(zhuǎn)子 傳感器定子 傳感器轉(zhuǎn)子 電子換向線路 無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 6 電動(dòng)機(jī)本體 無刷直流電動(dòng)機(jī)是 由電動(dòng)機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 主定子是電動(dòng)機(jī)本體的靜止部分。 主轉(zhuǎn)子示電動(dòng)機(jī)的本體轉(zhuǎn)動(dòng)部分，是產(chǎn)生激磁磁場的部件。它們首先必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中能夠產(chǎn)生足夠的磁通。其次就是要滿足機(jī)械方面的要求，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定，能傳送一定的轉(zhuǎn)矩，并能夠經(jīng)受一定環(huán)境的考驗(yàn)。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。在定轉(zhuǎn)子形成的氣隙中產(chǎn)生 NS 極相間的方波 或正弦波 磁場。 無刷直流 電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖如下所示 : 圖 （ ） 無刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖 位置傳感器 無刷直流電動(dòng)機(jī)和普通直流電動(dòng)機(jī)一樣，其轉(zhuǎn)矩的獲得也是通過改變相應(yīng)電樞繞組在不同極下的電流方向，從而使轉(zhuǎn)矩總是沿 著一個(gè)預(yù)定的方向。無刷直流電動(dòng)機(jī)和普通永磁直流電動(dòng)機(jī)不同，其永久磁鐵磁極 安放在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組安放在定子上。而功率品體管的導(dǎo)通與截 止是由位置傳感器信號(hào)控制的。以保證功率晶體管在正確的轉(zhuǎn)子位置時(shí)導(dǎo)通與截止。 早期的位置傳感器也是接觸式，它的構(gòu)簡單，緊湊，用于結(jié)構(gòu)比較簡單的場合，對于它的前輩們（有刷直流電機(jī)來說） 這是一個(gè)很大的創(chuàng)新，有刷電機(jī)由于電刷而不要避免的存在著缺點(diǎn)，電刷與換向片接觸容易磨損，電刷工作時(shí)上面有較大的電流通過會(huì)生火花， 這些影響到電機(jī)的工作穩(wěn)定性和使用時(shí)限。但是，這種結(jié)構(gòu)仍然存在機(jī)械接觸 。而且，這種位置傳感器不便維修， 所以，它的使用范圍受到了限制。 位置傳感器和 電動(dòng)機(jī)的本體一樣，也是靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即位置傳感器的定子和位置傳感器的轉(zhuǎn)子，位置傳感器的種類很多，這里先以較常用的磁電式位置傳感器作 為典型來分析：磁電式位置傳感器的定子 ： 磁電式位置傳感器定子是由磁芯、激磁線圈、輸出線圈和罩殼等組成。磁芯材料與位置傳感器定子的磁芯材料相同。 位置傳感器的分類： 一般可分為光電式 磁敏式 接近開關(guān)式 諧振式 高頻耦合式 在本次的電動(dòng)自行車的位置傳感器我們用到的是利用磁效應(yīng)原理來作用的霍爾傳感器。它是一種半導(dǎo)體器件，采用銻化銦 (Insb]和砷化鎵(CaAs)材料，利用霍爾效應(yīng)制成的。如果某一薄片半導(dǎo)體中電流 Ic 如圖所示沿某一方向流動(dòng)，在垂直薄片的方向上有一磁密 B 穿過，那么在與電流Ic和磁 密 B構(gòu)成的平 面相垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生一電動(dòng)勢 E，這種效應(yīng)稱之為霍爾效應(yīng)。 E=RHdBIH () RH= ???83 () 式中： RH —— 霍爾系數(shù)（ m3/C） IH—— 控制電流（ A） B —— 磁感應(yīng)強(qiáng)度（ T） ? —— 材料電阻率（ ? 當(dāng)磁密 B 和霍爾元件的平面不相垂直而存在一定角度 時(shí)，霍爾電動(dòng)勢的公式 相要相應(yīng)的進(jìn)行變化。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與半導(dǎo)體集成電路一起制作在同一塊硅外延片上，這就構(gòu)成了霍爾集成電路。 —從而起到傳感位置的作用。目前通常將霍爾 元件和有關(guān)的電子電路集成制作在同一芯片上，構(gòu)成 霍爾集成電路 。在無刷直流電動(dòng)機(jī)中通常選用開關(guān)型霍爾集成電路，其電路原理如圖 ()所示。工程中希望 B11—1l、BL—11,BH值盡可能小些，這樣以便對 碰 鋼性能降低要求．從而在電路運(yùn)行時(shí)高低電平占空比更趨一致，以達(dá)到提高電機(jī)性能的目的。 霍爾傳感器按其功能和應(yīng)用可分為線性型、開關(guān)型、鎖定型三種。輸人為線性變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度，得到與磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系的輸出電壓。其輸出特性曲線如圖 （ ） 所示 。輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為數(shù)字信號(hào)。這種開關(guān)的導(dǎo)通和截止過程只和外界磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小有關(guān)，而不需要磁場極性的變換。圖 （ ）顯示了這種開關(guān)電路 框圖和在交變磁場作用下的輸出特性： 圖 （ ） 交變磁場下的輸出特 性 調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器 11 (c)鎖 定型 鎖定型傳感器同樣也是由電壓 調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器、輸出級(jí)等五部分組成 。 位置傳感器的基本功能是在電動(dòng)機(jī)的每一個(gè)電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對數(shù)越多，則在 360。定子設(shè)計(jì)主要是確定霍爾元件的數(shù)目和 它們之間相互間隔的位置角度以及安裝的位置。 定子設(shè)計(jì) (a)霍爾元件數(shù)目的確定 開關(guān)型 霍 爾傳成器是一個(gè)雙值元件。按照這樣的規(guī)律，我們可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的分配狀態(tài)數(shù)確定所需霍 爾元件的最少個(gè)數(shù)。而五相十狀態(tài)電機(jī)，所需的 霍 爾元件數(shù)起碼是四個(gè)。 (b) 霍爾元件相隔的位置角 首先把每個(gè) 霍 爾元件所產(chǎn)生的波形等分成電動(dòng)機(jī)所需要的邏輯分配狀態(tài)數(shù)，然后把它們相互留開一定的位置角后組合在 一起，倘若最終能產(chǎn)生所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)這個(gè)位置角就是可取的。 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì) 霍爾位置傳感器的轉(zhuǎn)子可以直接利用電動(dòng)機(jī)的主轉(zhuǎn)子，也可以和主轉(zhuǎn)子 分體 安裝。這樣可提高平均轉(zhuǎn)矩，同時(shí)降低轉(zhuǎn)短的波動(dòng)值。 霍 爾位置傳感器的設(shè)計(jì)可以采用波形組合法，其構(gòu)成的方案并非是唯一 的，但是只要能滿足上述條件，就可以作為無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器 。 電子換向電路的任務(wù)是將位置傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，預(yù)放大，功率放大，然后去觸發(fā)末級(jí)功率晶體管，使電樞繞組按一定的邏輯程序饋電，保證電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。 就它們內(nèi)部發(fā)生的電磁過程來說，本質(zhì)上沒有多大差別。 有刷直流電動(dòng)機(jī)主要由靜上部分磁極體，轉(zhuǎn)動(dòng)部分電樞以及電刷和換向器成， N， S極為磁極體，線圈 abcd 組成電樞，電刷 A， B和換向片 I， II 組成機(jī)械換向機(jī)構(gòu)。根據(jù)比奧 .薩乏定律：如果磁場中有一載流導(dǎo)體，且導(dǎo)體與磁場方向相互垂直，則作用在載導(dǎo)體上的電磁力應(yīng)為 : f=IBL () 式中 I流過導(dǎo)體的電流 B磁通密度 L載流導(dǎo)體的有效長度 這個(gè)力形成了作用在線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，將按逆時(shí)針方向雷動(dòng)?？梢?，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)。 它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動(dòng)分量。 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。其各相繞組導(dǎo)通示意圖如圖 （ ） 所示 。如果是有位置傳感器直流無刷電動(dòng)機(jī)，則可以通過傳感器來直接獲得轉(zhuǎn)子的六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置的信息，如果是無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)，則需要通過直流無刷電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組的反電勢直接或間接的獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。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，這就是無刷直流 電動(dòng)機(jī)的無接觸式換流過程的實(shí)質(zhì)。 圖（ ） 應(yīng)該指出，在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組和相應(yīng)的功率開關(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)的字子繞組類似，基本上有星形繞組和封閉式繞組兩類，它們的換向線路一般有上橋式和非橋式之分。歸納起來可分為下列幾種： a. 星形繞組 此類接法系把所有繞組的首端接在一起。 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直流 電源 控制電路 永磁電機(jī) 位置 傳感器 無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 16 接，依次類推，直至最后一相繞組的尾端又與第一相繞組的首端相連接。 換流線路基本設(shè)計(jì) 在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，來自位置傳感器的驅(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