无刷直流电动机设计(编辑修改稿)

无刷直流电动机设计(编辑修改稿)内容摘要：

成本约占电机总成本的 50％左右，因此在永磁电动机磁路结构 设计时，如何充分发挥所选用的永磁材料的作用，提高它的利用率成了最 重要的问题。 其次稀土水磁材料是由磁性粉末压制烧结而成，质脆难以精密加工。 稀土 永磁材料构成的零件结构越复杂，就越难以加工、粘接和磁化。 因此在 永 磁电机结构设计 时，要考虑到水磁材料零件结构形状要便于加工、粘接和磁化。 这些对永 磁电动机本体的性能价格比都有很大的影响。 B．永磁无刷电动机一个大的原材料部份就是所用到的永磁材料，其对电机的性价比也有很大的影响。 我国是稀土大国，资源丰富。 稀土永 磁材料磁性能优越，用于制直流 电源 控制电路 永磁电机 位置 传感器 3 造电机可以大幅度地提高电机效率，节约能源，可以大大减少电机的重量，提高电机的运行性能，简化电机结构，提高电机运行的可靠性。 这就是无刷电机优越性所在。 我国研究的稀土水磁材料在最大磁能积方面已达到国际先进水平，生产能力已超过干吨，目前已能 正常批量生产工作温度为 120150℃甚致更高的钻铁硼永久磁铁。 防腐技术已经基本解决，成品交货价格大约 300无从 6元左右，但与国外相比，仍存在较大的差距，主要是我国生产的 铁 钕 硼水磁材料的热稳定性的抗氧化性尚未彻底解决。 生产径向磁化磁密均匀分布的高性能磁铁技术还未过关，目前我国只能生产高磁性能的平板块状磁铁和环形轴向磁化的磁铁。 而且批量生产的永磁材料产品磁性能还不稳定，分散度大，国家有关职能组织还未制定出有关稀土水磁材料性能指标和测试方法的统一标准，因此水磁材料的质量难以保证，因而影响水磁电机质量的稳定性。 C．电机的制造工艺性影响到电机的制造过程，进而影响到电机的成本。 永 磁电机磁路结构设计对于是否充分利用所选用永磁材料的磁性能和便于永磁材料零件的加工、粘接与充磁，提高水磁电机的性能价 格比是至关重要的。 因此在设计无刷水磁电机时要充分考虑到上述两点。 目前我国水磁材料生产厂家只能提供高磁能积单向磁化的块状磁铁和环形轴向磁化的磁铁。 高磁能积单向磁化的块状磁铁在盘式无刷电机磁路结构中既可以得到充分利用，又便于加工、粘接和充磁，无刷电机本体的性能价格比最高。 设计方法初探 无刷 直流电动机具有良好的性能 ， 用途广泛，在各种不同场合下使用，对电机和驱动器均有不同的要求。 要 满足不同的要求，就要有正确的设计方法。 由于无田直流电动机是 要机 电一体化的，电机的设 计 要考虑电枢绕组与换向驱动的组合方式以及位置传感器形式 ， 然后才能对电动机的磁路和电路系统进行合理设计。 驱动器的设计要以电机的电流，电感等参数为依据。 同时满足工作稳定可靠，线路功耗小，寿命长等要求。 采用的 方法 ：磁路计算仍采用场化为路的经典法，电路计算时作了如下假 设 (a)认为由转子 磁钢产生的气隙磁场是按正弦波分布的．对于气隙中某一固定点，在电动机旋转时 该处磁 密在时间上按正弦规律变化， （ b)忽略电枢绕组的电 感。 这对分析由直流源供电的小功率无刷直通电动机是可行的，而分析由逆变器供电的大功率无刷直流电动机则误差较大，尤其是对于气隙磁场分布接近方波及方波电压 驱动的无刷直流电动机设计分析，若仍沿用上述方法，其计算结果和实际相差甚远。 1)大功率无刷直流电动机绕组电感大小对电枢电流，电磁转矩 影响较大，尤其是高速无刷直流电动机，绕组电感会使电机机械特性． 客观感、呈 现下凹曲线，呈非线 性。 因此，在电机设计时，不能忽略电感影响； 无刷直流电动机的设计 4 2)逆变器供电的无刷直流电动机．为了消除转矩脉动 ， 希望使气隙磁场分布波 形 180度，不过这是做不到的，只可能是尽可级的接近 180度。 3）大功率无刷直流电动机除采用直流电机设计 法外，还可用交流同步电 机理论和设计方法对其进行分析，这是因为无刷直流电动机本体是一台永磁同步电机，采用同步电机理论分析中的矢量方法，可反映出无刷 直流电动机本身的一些内部特性，从而可得到功率因数 定子漏抗、交、直轴电抗等参数。 4）对于方波驱动的无刷直流电动机，计算电枢电流，电磁转矩 等性能时，可以利用电机稳 态运行时的周期性，在某一换向周期内，对应具体的驱动方式．建立正确的数学模型，并采 用计算机仿真计算 上述几种方法设计无刷直流电动机各有特点，直流设计法最简单，人们也很熟悉。 交流设计法可得到直流 设计时无法 得 到的 一些电机参数，为驱动控制线路提供必要的参考。 计算机仿真计算可以精 确地计算电流、转短、转速等性能参数，计算模型 比 较接近电机实际运行状况。 因此，这三种设计方法是可相互补充，在实际应用中，根据不同的研究对象、选择不同的设计方法来 达到所要求的参数，并通过样 机实测，完善设计方案。 5 第二章 自行车用无刷直流电动机的结构和原理 无刷直流电动机的结构 众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢、和固定的磁场。 因此，有刷直流电动机必须有一个滑动的接触机构 电刷和换向器，通过它们把电流反馈给旋转着的电枢。 无刷直流电动机与前者相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。 这样，电子换向线路中的开关元件，如晶体管或可控硅等可与电枢绕组连接。 另外，在电动机内，装有一个位置传感器用来检测主转子在运行过程中的位置。 它与电子换向线路一起，代替了有刷电机的机械换向装置。 综上所述，无刷直流电动机由下列三大部分组成 （ 1） 绕组的定 子和永磁转子 （ 2） 位置传感器 （ 3） 电子换向线路 图（ ）是 无刷直流电动机的组成方框图 图（ ） 无刷直流电动机 电动机本体 位置传感器 电子换向线路 主定子 主转子 传感器定子 传感器转子 电子换向线路 无刷直流电动机的设计 6 电动机本体 无刷直流电动机是 由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。 电动机的本体主要是有主定子和主转子构成。 主定子是电动机本体的静止部分。 它是由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、 绝缘槽楔、引出线及环氧树脂等。 主转子示电动机的本体转动部分，是产生激磁磁场的部件。 它是由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零 部件。 它们首先必须满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中能够产生足够的磁通。 电枢绕组允许通过一定的电流，以便产生一定的电磁转矩。 其次就是要满足机械方面的要求，保证机械结构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能够经受一定环境的考验。 此外，还要考虑到节约材料、结构简单、紧凑、运行可靠和稳升不超过规定的范围。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。 电动机转子由钕铁硼永磁材料构成。 在定转子形成的气隙中产生 NS 极相间的方波 或正弦波 磁场。 为了使电动机绕组准确换向，在电动机内装有位置传感器 ，作为转子极性的位置信号。 无刷直流 电动机的机构简图如下所示 : 图 （ ） 无刷直流电动机机构简图 位置传感器 无刷直流电动机和普通直流电动机一样，其转矩的获得也是通过改变相应电枢绕组在不同极下的电流方向，从而使转矩总是沿 着一个预定的方向。 为了实现这一点，必须有位置传感器，传感和确认磁极和绕组之间的相对位置。 无刷直流电动机和普通永磁直流电动机不同，其永久磁铁磁极 安放在转子上，电枢绕组安放在定子上。 绕组电流的导 7 通与截止是通过与绕组相连接的功率晶体管的导通与截止去实现的。 而功率品体管的导通与截 止是由位置传感器信号控制的。 因此要求位置传感器的位置和电枢绕组的位置之间具有严格的对应关系。 以保证功率晶体管在正确的转子位置时导通与截止。 显然，位置传感器及其处理电路是驱动控制电路的关键部件。 早期的位置传感器也是接触式，它的构简单，紧凑，用于结构比较简单的场合，对于它的前辈们（有刷直流电机来说） 这是一个很大的创新，有刷电机由于电刷而不要避免的存在着缺点，电刷与换向片接触容易磨损，电刷工作时上面有较大的电流通过会生火花， 这些影响到电机的工作稳定性和使用时限。 而早期的位置传感器把有刷电机的大电流的 直接接触 （电源通过电刷、换向器的接触而加到电枢绕组中去）变 为小电流接触，然后通过放大而把电源加到电枢绕组中去。 但是，这种结构仍然存在机械接触。 所以在电动机工作上行个小时后，传感器由于接触次数的上升还是发生较大的磨损。 而且，这种位置传感器不便维修， 所以，它的使用范围受到了限制。 无接触式的位置传感器由于是在真正意义上面做到了无机械接触的存大所以可以弥补上面的不足。 位置传感器和 电动机的本体一样，也是静止部分和运动部分组成，即位置传感器的定子和位置传感器的转子，位置传感器的种类很多，这里先以较常用的磁电式位置传感器作 为典型来分析：磁电式位置传感器的定子 ： 磁电式位置传感器定子是由磁芯、激磁线圈、输出线圈和罩壳等组成。 磁电式位置传感器的 转子：这种位置传感器转子由导磁材料（铁芯）和非导磁材料（衬套）组成。 磁芯材料与位置传感器定子的磁芯材料相同。 非导磁材料为铜或者环氧树脂等，铁芯一般为扇形。 位置传感器的分类： 一般可分为光电式 磁敏式 接近开关式 谐振式 高频耦合式 在本次的电动自行车的位置传感器我们用到的是利用磁效应原理来作用的霍尔传感器。 a 霍尔元件： 位置信号是 霍尔元件拾取的。 它是一种半导体器件，采用锑化铟 (Insb]和砷化镓(CaAs)材料，利用霍尔效应制成的。 其工作原理如 下 图所示。 如果某一薄片半导体中电流 Ic 如图所示沿某一方向流动，在垂直薄片的方向上有一磁密 B 穿过，那么在与电流Ic和磁 密 B构成的平 面相垂直的方向上会产生一电动势 E，这种效应称之为霍尔效应。 其原理图如下： 无刷直流电动机的设计 8 图（ ）霍尔效应原理图 霍尔效应的极性取决于半导体材料是 P型还是 N 型，其电动势大小可由下式计算。 E=RHdBIH () RH= 83 () 式中： RH —— 霍尔系数（ m3/C） IH—— 控制电流（ A） B —— 磁感应强度（ T）  —— 材料电阻率（  m） 当磁感应强度 B和霍尔元件的平面法线成一定角度  ，实际上作用于霍尔元件的有效磁场是其法线 方向的分量 cos ,此时霍尔电势为： E=KHIH cos 其中 KH= dRH () 式中 RH是霍尔系数， IH是控制电流 (A)， B为磁通密度 (T)， d 是半导体材料厚度 (cm)。 当磁密 B 和霍尔元件的平面不相垂直而存在一定角度 时，霍尔电动势的公式 相要相应的进行变化。 上述霍尔元件所产生的电动势很低，在应用时往往要外接放大 器，很不方便。 随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同一块硅外延片上，这就构成了霍尔集成电路。 原理简图如下： 图 () 霍尔集成电路 A B d 9 由式 （ ） 可见，当霍尔元件在磁场中的位置发生变化时，霍尔电动势的大小和方向也将发生相应变化。 —从而起到传感位置的作用。 由霍尔元件输出的仅仅是微弱的电动势信号 ，该信号还不足以驱动控制电路，必须由外加电路进行放大处理。 目前通常将霍尔 元件和有关的电子电路集成制作在同一芯片上，构成 霍尔集成电路。 形状大小与小型的片状晶体管相似。 在无刷直流电动机中通常选用开关型霍尔集成电路，其电路原理如图 ()所示。 电路由三端电源稳压电路 A，霍尔元件 B，差动放大器 C，施密特触发器整形电路 D以及集电极 开路 (O． C)输 出级 E几部分构成，输 出为方波的开关信 号 ()为该电路的输 出特性。 工程中希望 B11—1l、BL—11,BH值尽可能小些，这样以便对 碰 钢性能降低要求．从而在电路运行时高低电平占空比更趋一致，以达到提高电机性能的目的。 U O BHL BLH B 图 () 输出方波的开关信号 ： 霍 尔传感器按其结构可分为霍尔元件、 霍 尔集成电路和 霍 尔功能组件三大类。 霍尔传感器按其功能和应用可分为线性型、开关型、锁定型三种。 (a)线性型 线性型传感器是由电压调整器、 霍 尔元件、差分放大器、输出级等部分组成。 输人为线性变化的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。 可用于磁场测量、非接触测距、黑色金属检测等。 其输出特性曲线如图 （ ） 所示。 BH 无刷直流电动机的设计 10 图 （ ） (b)开关型 开关型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。 输入为磁感应强度，输出为数字信号。 图 5是其输出特性曲线。 这种开关的导通和截止过程只和外界磁感应强度的大小有关，而不需要磁场极性的变换。 它的磁滞回线相对于零磁场轴是非对称的。 图 （ ）显示了这种开关电路 框图和在交变磁场作用下的输出特性： 图 （ ） 交变磁场下的输出特 性 调节器 调节器 11 (c)锁 定型 锁定型传感器同样也是由电压 调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器、输出级等五部分组成。 锁定型传感器实质上也是一种开关型器件，与一般霍尔开关的差别在于，它是由双磁极激发的。 位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数。 也就是说电动机传感器的永磁转子每转过一对磁极 (N、 S极 )的转角，就要产生出与电机逻辑分配状态相对应的开关状态数，以完成电动机的一个换流全过程。 如果转子充磁的极对数越多，则在 360。 机械角度内完成该换流 全过程的次数也就越 多 霍尔位置传感器的设计可分为定子设计和转子设计。 定子设计主要是确定霍尔元件的数目和 它们之间相互间隔的位置角度以及安装的位置。 转子设计主要是确定充磁的极对数。 定子设计 (a)霍尔元件数目的确定 开关型 霍 尔传成器是一个双值元件。 一个双值元件仅有 “o”和 “1”两种状态，两个双值元件便有四个状态，而 n个双值元件则可组成 2的 n次方个状态。 按照这样的规律，我们可以根据电动机的分配状态数确定所需霍 尔元件的最少个数。 例如二相导通三相六状态的电机，在一个 电周期内需要六 个不同的状态，二个霍尔元件产生不了六个状态，因而所对应需要的霍 尔元件数起码是三个。 而五相十状态电机，所需的 霍 尔元件数起码是四个。 但是，上述规律仅仅是从理论上考虑一个多位双值系统能构成多少个不同的状态，只能为我们在确定 霍 尔元件的个数时提供一个大致的范围，最后还必须使用上节所述的波形组合法，才能最终确定一个实际的位置传感器需要多少个 霍 尔元件。 (b) 霍尔元件相隔的位置角 首先把每个 霍 尔元件所产生的波形等分成电动机所需要的逻辑分配状态数，然后把它们相互留开一定的位置角后组合在 一起，倘若最终能产生所要求的开关状态数这个位置角就是可取的。 如果分配状态是单数的话，可以把该数乘以再按乘 2后的数进行等分。 转子设计 霍尔位置传感器的转子可以直接利用电动机的主转子，也可以和主转子 分体 安装。 如果分体安装，那么其充磁的极对数一般设计成和电动机的主转子一样，以确保换向节拍和主转子磁 极处在换向位置的时间是同步的。 这样可提高平均转矩，同时降低转短的波动值。 霍 尔传感器是名目繁多的传感器中重要的一个家族，因其具有稳定、可靠，频率响无刷直流电动机的设计 12 应宽、体积小，结构牢固，易于安装等优点，目前已越来越多地。