【正文】 22 23 23 24 26 電動自行車用電動機簡易數(shù)學(xué)模型 26 第三章 無刷直流電動機的電磁設(shè)計 29 30 30 31 33 33 34 35 35第四章 自行車用無刷直流電動機的電子線路設(shè)計 44 44 45 45第五章 有待深入解的幾個問題 50 51 51 52 52 52致 謝 54參考文獻(xiàn) 56附錄 A 無刷直流電動機總裝圖 B 定子沖片圖 53 無刷直流電動機的設(shè)計 摘 要：無刷直流電動機是近年迅速興起的一種新型電機，它廣泛應(yīng)用與工業(yè)，無刷直流電動機是近年迅速興起的一種新型電機，它廣泛應(yīng)用與工業(yè)，農(nóng)業(yè)，以及軍事等領(lǐng)域。本文所介紹的電動自行車使用的直流無刷電機，采用電子操縱系統(tǒng)，電動自行車的最高時速可達(dá)25km/h，一次充電行程為64km。性能綜合指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)的以有刷電機為動力的電動自行車。 positional sensor。前幾年，人們選擇了燃油助動車，但由于燃油助動車采用小容量二沖程汽油發(fā)動機為動力，其廢氣排放濃度是一般轎車的3－5倍，其污染問題引起了社會各界和主管部門的高度重視。而電動自行車因為輕便、快捷，適應(yīng)了現(xiàn)代人追求環(huán)保、效率、安全的需要，所以受到了廣大消費者的普遍歡迎，得以再度興起。進(jìn)入2000年以來，不少地區(qū)的銷售情況也十分喜人，市場前景廣闊。單從其驅(qū)動裝置——電機來看就有很高的技術(shù)含量。經(jīng)過市驗證目前較為成熟的有兩大類：一類是帶減速齒輪的有刷電機，別外一種是不帶減速齒輪的直接驅(qū)動的無刷直流電動機。1．2 簡易發(fā)展史和原理方框直流無刷電機是在有刷直流電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起未的，它是以法拉第的電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，而又以新興的電于技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和各種機械原理為后盾，因此具有很強的生命力。經(jīng)過多年的努力，人們終于在 1962年試制成功了借助霍元件來實現(xiàn)換流的直流無刷電動機。在德國N米斯格林提出采用電容移相換流的方法基礎(chǔ)之上，R哈尼特司等人試制成功借助數(shù)字式環(huán)分配器和過零鑒別器組合來實現(xiàn)換流的無附加位置傳感器的直流無刷電動機。現(xiàn)代的無刷直流電動機，其構(gòu)造實際上是1臺永磁式步進(jìn)電動機(一種水磁式同步電動機)。由此可見，無刷直流電動機的性能價格比主要由上述三部分決定。第一代電動自行車使用的是有刷高速繞組式電機，電機的轉(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；第二代電動自行車使用的是有刷低速電機或有位置傳感器的無刷電機，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；第三代電動自行車使用的是無刷無位置傳感器的稀土永磁電機，其噪音小，效率高，維護(hù)、安裝都比較方便。 電動自行車用無刷電機的性價比因素A．電動自行車是一種商業(yè)產(chǎn)品，所以不管是生產(chǎn)者還是消費者必不可少的要考慮到它的性價比。由于高性能永磁電機所用的稀土水磁材料的成本約占電機總成本的50％左右，因此在永磁電動機磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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。這些對永磁電動機本體的性能價格比都有很大的影響。我國是稀土大國，資源豐富。這就是無刷電機優(yōu)越性所在。防腐技術(shù)已經(jīng)基本解決，成品交貨價格大約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，因而影響水磁電機質(zhì)量的穩(wěn)定性。永磁電機磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計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，提高水磁電機的性能價格比是至關(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)計方法初探無刷直流電動機具有良好的性能，用途廣泛，在各種不同場合下使用，對電機和驅(qū)動器均有不同的要求。由于無田直流電動機是要機電一體化的，電機的設(shè)計要考慮電樞繞組與換向驅(qū)動的組合方式以及位置傳感器形式，然后才能對電動機的磁路和電路系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計。同時滿足工作穩(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機是可行的，而分析由逆變器供電的大功率無刷直流電動機則誤差較大，尤其是對于氣隙磁場分布接近方波及方波電壓驅(qū)動的無刷直流電動機設(shè)計分析，若仍沿用上述方法，其計算結(jié)果和實際相差甚遠(yuǎn)。因此，在電機設(shè)計時，不能忽略電感影響；2)逆變器供電的無刷直流電動機．為了消除轉(zhuǎn)矩脈動，希望使氣隙磁場分布波形180度，不過這是做不到的，只可能是盡可級的接近180度。4）對于方波驅(qū)動的無刷直流電動機，計算電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩等性能時，可以利用電機穩(wěn)態(tài)運行時的周期性，在某一換向周期內(nèi)，對應(yīng)具體的驅(qū)動方式．建立正確的數(shù)學(xué)模型，并采用計算機仿真計算上述幾種方法設(shè)計無刷直流電動機各有特點，直流設(shè)計法最簡單，人們也很熟悉。計算機仿真計算可以精確地計算電流、轉(zhuǎn)短、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)，計算模型比較接近電機實際運行狀況。第二章 自行車用無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和原理 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu) 眾所周知，有刷直流電動機具有旋轉(zhuǎn)的電樞、和固定的磁場 。無刷直流電動機與前者相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞。另外，在電動機內(nèi)，裝有一個位置傳感器用來檢測主轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置。綜上所述，無刷直流電動機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（）是無刷直流電動機的組成方框圖無刷直流電動機電動機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)子電子換向線路圖（） 電動機本體無刷直流電動機是由電動機本體和驅(qū)動器構(gòu)成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。主定子是電動機本體的靜止部分。主轉(zhuǎn)子示電動機的本體轉(zhuǎn)動部分，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。其次就是要滿足機械方面的要求，保證機械結(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。 電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。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。無刷直流電動機的機構(gòu)簡圖如下所示: 圖（） 無刷直流電動機機構(gòu)簡圖 位置傳感器 無刷直流電動機和普通直流電動機一樣，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)矩總是沿著一個預(yù)定的方向。無刷直流電動機和普通永磁直流電動機不同，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控制的。以保證功率晶體管在正確的轉(zhuǎn)子位置時導(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（有刷直流電機來說） 這是一個很大的創(chuàng)新，有刷電機由于電刷而不要避免的存在著缺點，電刷與換向片接觸容易磨損，電刷工作時上面有較大的電流通過會生火花， 這些影響到電機的工作穩(wěn)定性和使用時限。但是，這種結(jié)構(gòu)仍然存在機械接觸。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。位置傳感器和電動機的本體一樣，也是靜止部分和運動部分組成，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，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產(chǎn)生一電動勢E，這種效應(yīng)稱之為霍爾效應(yīng)。E=RH ()RH= ()式中：RH　——霍爾系數(shù)（m3/C） IH——控制電流（A）B ——磁感應(yīng)強度（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，霍爾電動勢的公式相要相應(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?！獜亩鸬絺鞲形恢玫淖饔?。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。在無刷直流電動機中通常選用開關(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．從而在電路運行時高低電平占空比更趨一致，以達(dá)到提高電機性能的目的。 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)強度，得到與磁感應(yīng)強度成線性關(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)強度，輸出為數(shù)字信號。這種開關(guān)的導(dǎo)通和截止過程只和外界磁感應(yīng)強度的大小有關(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：調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器圖（） 交變磁場下的輸出特性(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、輸出級等五部分組成。 位置傳感器的基本功能是在電動機的每一個電周期內(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 (a)霍爾元件數(shù)目的確定 開關(guān)型霍爾傳成器是一個雙值元件。按照這樣的規(guī)律，我們可以根據(jù)電動機的分配狀態(tài)數(shù)確定所需霍爾元件的最少個數(shù)。而五相十狀態(tài)電機，所需的霍爾元件數(shù)起碼是四個。 (b) 霍爾元件相隔的位置角 首先把每個霍爾元件所產(chǎn)生的波形等分成電動機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)這個位置角就是可取的。轉(zhuǎn)子設(shè)計 霍爾位置傳感器的轉(zhuǎn)子可以直接利用電動機的主轉(zhuǎn)子，也可以和主轉(zhuǎn)子分體安裝。這樣可提高平均轉(zhuǎn)矩，同時降低轉(zhuǎn)短的波動值?；魻栁恢脗鞲衅鞯脑O(shè)計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機的位置傳感器。電子換向電路的任務(wù)是將位置傳感器的輸出信號進(jìn)行解調(diào)，預(yù)放大，功率放大，然后去觸發(fā)末級功率晶體管，使電樞繞組按一定的邏輯程序饋電，保證電動機的可靠運行。 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。有刷直流電動機主要由靜上部分磁極體，轉(zhuǎn)動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組成機械換向機構(gòu)。：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)體的有效長度這個力形成了作用在線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在這個電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，將按逆時針方向雷動?？梢姡谟兴⒅绷麟妱訖C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，電動機的旋轉(zhuǎn)方向始終不變，這就是有刷直流電動機機械換向的本質(zhì)。它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動勢產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動分量。 圖（）逆變器主電路圖 電子換向逆變器主電路如圖（）示，AA、BB、CC代表直流無刷電動機的三相定子繞組，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機，則可以通過傳感器來直接獲得轉(zhuǎn)子的六個轉(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機，則需要通過直流無刷電動機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，位置傳感器不斷地送出信號，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機的無接觸式換流過程的實質(zhì)。直流電源控制電路永磁電機位置傳感器圖（）應(yīng)該指出，在無刷直流電動機中，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，與有刷電動機相比，它產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩波動要大一些 電樞繞組的連接方式 無刷直流電動機的電樞繞組與交流電動機的字子繞組類似，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 在無刷直流電動機中，來自位置傳感器的驅(qū)動信號，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，從而改變主定子的磁狀態(tài)，我們把電樞繞組內(nèi)的這種電流化過程的物理現(xiàn)象稱這“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)會產(chǎn)生一個跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場。由于換流是無刷直流電動機可靠運行的關(guān)鍵所在，故有必要對此作較詳細(xì)的分析。即電