【正文】 子的磁狀態(tài)，我們把電樞繞組內(nèi)的這種電流化過(guò)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于換流是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵所在，故有必要對(duì)此作較詳細(xì)的分析。即電樞固定，磁極旋轉(zhuǎn) 和永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更為相似。在無(wú)刷電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，電樞繞組的相數(shù)、極數(shù)、槽數(shù)、繞組的 排列及連接方式有較多選擇自由，不同選擇對(duì)電機(jī)性能有重要影響。 相數(shù)選擇 無(wú)刷直流 永磁 電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，電樞放置多相繞組，多相繞組由功率 17 電子元件的開關(guān)電路供電，不受工頻電源限制，電樞繞組相數(shù)可在較大范圍內(nèi)選擇。 繞組相數(shù)選擇應(yīng)該考慮到：繞組的利用程度、電子開關(guān)電路的復(fù)雜程度及成本、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電子元件應(yīng)力等，根據(jù)不同的使用條件來(lái)綜合決定相數(shù)。而在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組是依次一相一相通電 (或幾相通電 )產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從這個(gè)角度看，相數(shù)越多，繞組利用程度越低。 12電子線路復(fù)雜程度及成本 相數(shù)增加，所用開關(guān)元件數(shù)增加，電路復(fù)雜，成本也增高。相數(shù)越多．轉(zhuǎn)矩 脈動(dòng)就越小，研究和實(shí)驗(yàn)表明相近的奇數(shù)相比偶數(shù)相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。 極數(shù)選擇 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)戶與電機(jī)轉(zhuǎn)速 n之間不像 永隨同步電動(dòng)機(jī)有著嚴(yán)格 的如下式的 對(duì)應(yīng)關(guān)系 ： Pfn 60? () 式中： f為同步電動(dòng)機(jī)供電頻率。 ???? ?dpTKPW uun10 () 式中： U電源電壓； Tu? 電子開關(guān)電路管壓降； W1 相繞組匝數(shù) dpK 繞組系數(shù) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 18 ?? 氣隙磁通 在電機(jī)主要尺寸確定，選擇極對(duì)數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，參照直流電機(jī)極對(duì)數(shù)選擇方法作幾個(gè)方案比較，而不是一個(gè)唯一定數(shù)。隨著極數(shù)增加，每極磁通減少，使得電摳 軛及定子軛部減少．用銅用鐵量 減少，所以外轉(zhuǎn)子低速運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)刷電機(jī)多數(shù)選取極數(shù)較多。雖然電樞電流密度不變時(shí)，銅耗略有降低，電動(dòng)機(jī)的效率還是隨著極對(duì)數(shù)的增加而降低。 槽數(shù)選擇 有些資料認(rèn)為無(wú)刷直流電 機(jī)的槽數(shù)應(yīng)為相數(shù)和極對(duì)數(shù)的整數(shù)倍，這是針對(duì)微型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)注意 采用整距集中繞組而言。為了構(gòu)成多相對(duì) 稱繞組，指數(shù)必須是相數(shù)的整數(shù)倍，但不一定是極數(shù)的整數(shù)倍。 轉(zhuǎn)子位置傳感器的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)子位置傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)中，主要起兩個(gè)作用。這了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目的，必須合理地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置傳感器。如此，傳感器的定轉(zhuǎn)子磁芯均要采用高頻磁性材料。 阻抗匹配 由于傳感器的原邊與產(chǎn)生高頻波的振蕩器相連，因此須注意兩者之間的阻抗匹配。 一般而言， sh? 與功率晶體管導(dǎo)通角相對(duì)。確定這個(gè)角度時(shí)為了保證連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生死點(diǎn)，必須要有過(guò)渡導(dǎo)通狀態(tài) (短時(shí)間的兩相導(dǎo)能狀態(tài) ) sh? 應(yīng)稍大于理論值，一般可比理論值大十度左右就可以了。傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)存在換向器，因而存在碳刷磨損和碳刷粉末玷污線圈絕緣及其它零部件問(wèn)題，由此帶來(lái)火花、維護(hù)困難、壽命短等致命缺陷，但直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能好，起動(dòng)性能好，控制性能好，故在調(diào)速性能要求高的場(chǎng)合，可用直流電動(dòng)機(jī)。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成 對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本上有二個(gè)方案： 一種方案，電動(dòng)機(jī)由逆變器傳動(dòng)，逆變器把一個(gè)直流電源轉(zhuǎn)化成其頻率同時(shí)與轉(zhuǎn)子速度相對(duì)應(yīng)的三相電壓，這種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也稱自控同步電無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 20 動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子用永磁體，也稱永磁同步電動(dòng)機(jī)，它由整流器、逆變器、轉(zhuǎn)子位置傳感器、同步電動(dòng)機(jī)和控制電路組成，位置傳感器安裝在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上，用它反饋信號(hào)使相電流與對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同步，可以獲得恒轉(zhuǎn)矩。 另一種方案，由受控制的變換器和同步電動(dòng)機(jī)并用，它由變換器、同步電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和邏輯電路組成。定子可采用與傳統(tǒng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)子非常相似的方式繞成，繞組原應(yīng)接于換向器升高片的位置現(xiàn)由晶體管開關(guān)所代替，應(yīng)用轉(zhuǎn)子位置傳感器和相關(guān)的邏輯電路，開關(guān)可依次接通和關(guān)斷，以仿效換向器的作用，并在定子內(nèi)產(chǎn)生了跳躍式的磁場(chǎng)，使永磁轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)圖如下圖所示。若假定定子繞組的感應(yīng)電壓： Uu， UV， Uw 是正弦的，可表達(dá)為 Uu =Keω sinθ ； () Uv=Keω sin（ θ 2π /3) () Uw= Keω sin（ θ +2π /3) () 式中： Ke 一電勢(shì)常數(shù) θ 一轉(zhuǎn)子位置角 ω =dθ ／ dt一電動(dòng)機(jī)的角速度 21 如果控制定子電流 iu,iv,iw，使其與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同相，即 )32s in ()32s in (s in000???????????IiIiIiwvu () 則供給轉(zhuǎn)子的功率： IKiUiUiUP ewwvvuu ????? () I0 是定子電流的幅值，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 T=P／ ω =I． 5KeIo 故轉(zhuǎn)矩了按幅值進(jìn)行控制，并與定子電流成正比。 L線圈電感 M互感 圖 （ ） 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 22 (2)電勢(shì)平衡方程式 由于傳統(tǒng)的直流電機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用了相同的基本原理，所以似乎其基本電機(jī)常數(shù)也應(yīng)相同，其電勢(shì)平衡方程式如圖（ ）所示 故機(jī)械特性與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)也極為相似。建立在永磁無(wú)刷電機(jī)基礎(chǔ)上的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往要求具備上述性能 .顯然通過(guò)控制電樞電流即通過(guò)控制器設(shè)置定子電流以及控制直流電源電壓， 可以實(shí)現(xiàn)恒磁通 控制。 電動(dòng)自行車用電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)易數(shù)學(xué)模型 對(duì)于永磁無(wú)刷直流方波電機(jī)，通常利用電動(dòng)機(jī)本身的相變量來(lái)建立數(shù)學(xué)模型。當(dāng)三相繞組為 y連接，并且沒有中線時(shí)，則有 0??? cba iii () M iaM icM ib ??? () 將（ ）式和（ ）式代入（ 1）式可得到電壓方程式為： ??????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbacbaeeeiiiPMLMLMLiiirrrUUU. . . . .0. . . .00. . . . . .. . . .00. . . . .0. . . . .. . . . .. . . .0. . . .00. . . . .. . . .00. . . . .0... () 電磁轉(zhuǎn)矩為 ： )(1 ccbbaa ieieieT ??? ? () 無(wú)刷直流方波電機(jī)定子繞組的相 電勢(shì)為： nCnNPE en ???? 60 () 式中 Ce 為電勢(shì)常數(shù)， N 為相繞組的等效匝數(shù)， n 為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)， Pn為極對(duì)數(shù)， ? 為主磁通。式 ()表明無(wú)刷直流方波電機(jī)的速度公式與普通直流電機(jī)相同，因此，無(wú)刷直流方波電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)改變直流電壓 Ud來(lái)調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)的電壓 Ud是通過(guò)調(diào)節(jié) PWM的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此即為無(wú)刷直流方波電機(jī)的 PWM調(diào)速原理。只由于用電子換向代替了機(jī)械換向，才使兩者在電路系統(tǒng)方面，在電樞繞組的有效利用方面，存在較大的差別。首先應(yīng)該根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)，選擇合理的電樞繞組和電子換向電路的組合方式，以及與之相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器形式（或選擇無(wú)位置傳感器的控制方式）。所謂的合理設(shè)計(jì)是指一方面要在給定的技術(shù)指標(biāo)下設(shè)計(jì)出重量輕、尺寸小和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好的電動(dòng)機(jī)；另一方面，要適當(dāng)?shù)倪x擇電磁參數(shù)，以便滿足電動(dòng)機(jī) 的運(yùn)行特性。電機(jī)的其他尺寸（包括磁路系統(tǒng)尺寸和結(jié)構(gòu)尺寸），重量和技術(shù)經(jīng) 濟(jì)指標(biāo)都依賴于它。電磁符合選得越大，電動(dòng)機(jī)的尺寸便可以選得越小。同時(shí)，電磁負(fù)荷之比 A/B 又決定了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，其比例選得不合適，會(huì)使運(yùn)行特性惡化。在轉(zhuǎn)子為永久體的 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，式（ 31）在原則上仍然是適用的。它們的大小取決于永磁體的體積、形狀、性能和利用程度。一定的磁路系統(tǒng)就有一定的磁狀態(tài)（ Bm,Hm）與之相對(duì)應(yīng)，并對(duì)氣隙提供一定的磁通密度 Bδ ，同時(shí)，允許電樞周圍上有一定的線負(fù)荷 A。相應(yīng)的電樞直徑aD ，定子磁路結(jié)構(gòu)尺寸也可 確定。需經(jīng)多次反復(fù)，才能使設(shè)計(jì)好電磁負(fù)荷，實(shí)質(zhì)上就歸結(jié)為對(duì)電動(dòng)機(jī)的永磁體進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。在實(shí)于完善。這里，著重介紹磁路結(jié)構(gòu)，磁鋼尺寸的確定及 磁鋼的穩(wěn)定和最佳工作點(diǎn)的選定等問(wèn)題。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，主要有圓柱式，星形式和拼塊式三種。它由轉(zhuǎn)軸，磁鋼，磁極體等拼裝 成轉(zhuǎn)子。但是，這種結(jié)構(gòu)便于做成多極式，能給電樞反應(yīng)去磁磁勢(shì)提供通路，故電樞反應(yīng)對(duì)磁鋼的去磁作用較小。 三種結(jié)構(gòu)形式的磁路，均由磁鋼，軟鐵和氣隙組成。那么電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的磁路圖如下所示： 27 對(duì)于拼塊式磁鋼結(jié)構(gòu)的多極電動(dòng)機(jī)來(lái)講，電動(dòng)機(jī)加負(fù)載后，由于電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的作用，也會(huì)使主磁場(chǎng)發(fā)生畸變，產(chǎn)生時(shí)而增磁，時(shí)而去磁的效果。 磁鋼的最佳工作點(diǎn)和穩(wěn)定方法 首先讓我們考慮 如下圖的一段磁路。假設(shè)軟鐵的導(dǎo)磁率為無(wú)窮大，則有 ： mmm VBHVH ????? 20 () 上式表明，為了在一定的氣隙內(nèi)產(chǎn)生一定的磁通，乘積 BmHm愈大，所需要的磁鋼的體積就愈小。它描繪了磁鋼最終表現(xiàn)出來(lái)的宏觀特性。在去磁曲線上不同的工作點(diǎn)就有不同的（ BH）值。在電磁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該調(diào)整磁路系統(tǒng)的尺寸，使磁鋼盡可能的工作在最佳工作點(diǎn)上。開始時(shí)，銜鐵移至足夠遠(yuǎn)的地方，磁鋼的工作點(diǎn)由它的原始漏磁導(dǎo)決定，在磁鋼回復(fù)系數(shù)已知的情況下，就可以計(jì)算出由去磁曲線上任意一點(diǎn)發(fā)出的回復(fù)直線怕具有最大有用回復(fù)能量。在電磁設(shè)計(jì)時(shí)我們也應(yīng)該調(diào)整磁路系統(tǒng)的尺寸，讓磁鋼盡可能在最大有用回復(fù)能量的條件下工作。因此，我們必須調(diào)整磁路無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 28 和電路系統(tǒng)的參數(shù)，使得磁鋼向工作氣隙提供的有用能量最大。最佳工作點(diǎn)對(duì)于永磁電機(jī)而言，是客觀存在的，但由于穩(wěn)磁方式的不同，外磁路飽和程度的變化，以及電機(jī)負(fù)載后電樞反應(yīng)的影響種種原因，在實(shí)際設(shè)計(jì)中工作中，要獲得最佳工作點(diǎn)并不是輕而易舉的?？傊?，實(shí)際上總是只能采用折衷的辦法來(lái)設(shè)計(jì)，在有特殊要求時(shí)，也可不考慮最佳工點(diǎn)。一旦從去磁曲線上某一點(diǎn)去掉強(qiáng)迫去磁場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，磁狀態(tài)就只能沿回復(fù)直線移動(dòng)。隨負(fù)載的變公而變化，表現(xiàn)為性能不穩(wěn)定，這是我們所不愿意看到的。我們把采取的這種措施稱為“穩(wěn)定”。然后讓充好磁的磁鋼轉(zhuǎn)子自由的處于空氣中。這種方法叫做空氣穩(wěn)定。然后在額定工作電壓下額定負(fù)載起動(dòng)，磁鋼的工作點(diǎn)將沿去磁曲線下降。用這種方法進(jìn)行磁鋼的穩(wěn)定基本上正好可以把最初的工作點(diǎn)按照在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到的最大去磁作用點(diǎn)確定好。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，為了充分利用磁鋼，通常裝配后再充磁。電樞有電流時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電樞磁勢(shì)，電樞磁勢(shì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)比較復(fù)雜，下面以 “星形三相六狀態(tài) ”為例對(duì)無(wú)剛直流電動(dòng)機(jī)的電反應(yīng)進(jìn)行分析在這種情況下的狀態(tài)角為 60度電動(dòng)機(jī)定子三相繞組為． A B、 C電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中通電順序?yàn)?AB—AC一 BC一 BA—CA—CB(兩個(gè)字母連寫，第一個(gè)字母 代表的相，電流從首端進(jìn)入，第二個(gè)字母代表相電流從末端進(jìn)入，從而形成跳躍式旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。 AB相的合成磁勢(shì)正好與 C相線圈的軸線垂直，圖 2(a)位置 1和位置 2為磁狀態(tài)角的邊界。 (a) (b) 圖 ( ) 電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的關(guān)系 從圖 2可知．轉(zhuǎn)子處于位置 I時(shí)．電樞滋勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)有最大的去磁作用；轉(zhuǎn)子處于位置 2時(shí)，電樞磁勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)有最大的增值作用。直軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)可采用文獻(xiàn)