無刷直流電動機調(diào)速器組裝工藝

1、無刷直流電動機調(diào)速器組裝工藝 陳先勇摘 要：目前在工業(yè)先進的國家里,工業(yè)自動化領(lǐng)域中的有刷直流電動機已經(jīng)逐步被無刷直流電動機所替代。隨著電子技術(shù)的進步,電子工業(yè)的發(fā)展,電子元器件的價格不斷下降?？紤]綜合指標(系統(tǒng)性能、重量、能量消耗等)之后,無刷直流電機的應(yīng)用正處上升趨勢。我所設(shè)計的是直流無刷電動機的調(diào)速器。關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；霍爾位置傳感器；調(diào)速；引 言：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。 無刷直流電動機系統(tǒng)既保持了直流電動機良好的調(diào)速控制特性，由具有壽命長、可靠性高、無換向火花及低噪音等優(yōu)點，又消除了電刷和換向器的機械接觸。它的應(yīng)用將越

2、來越廣。1無刷直流電動機的發(fā)展和研究狀況無刷直流電動機是近年來隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電動機。傳統(tǒng)的直流電動機存在換向器，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題，由此帶來火花、維護困難、壽命短等致命缺陷，但直流電動機的調(diào)速性能好，起動性能好，故在調(diào)速性能要求高的場合，可用直流電動機。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和高能永磁材料的出現(xiàn)，能使直流電動機做得和交流電動機一樣結(jié)構(gòu)簡單，耐用，而又具有良好的性能。它是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備、現(xiàn)代科學技術(shù)和軍事裝備中重要的機電元件之一。無刷直流電動機是以法拉第的電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，而又以新興的電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和各種物理原理為后盾。

3、因此它具有很強的生命力。 1.1無刷直流電動機的發(fā)展和特點研究和分析微特電機的應(yīng)用和發(fā)展，人們肯定會得出這樣的看法和結(jié)論：無刷直流電動機將會持續(xù)目前迅速發(fā)展的勢頭，并將在要求高性能的應(yīng)用領(lǐng)域中逐步取代其他類型的電機，占主導地位。由于無刷直流電動機保持著有刷直流電動機的優(yōu)良控制特性,在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動機一樣,但它的電樞繞組放在定子上,轉(zhuǎn)子上放永久磁鋼。無刷直流電動機的電樞繞組相交流電機的繞組一樣,采用多相形式,經(jīng)由驅(qū)動器接到直流電源上,定子采用位置傳感器實現(xiàn)電子換向代替有刷電機的電刷和換向器,各相逐次通電產(chǎn)生電流,和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。和有刷直流電機相比,無刷直流電動機由于

4、革除了電的滑動接觸機構(gòu),因而消除了故障的主要根源。由于轉(zhuǎn)子上沒有繞組,因此就沒有電的損耗。又由于主磁場是恒定的,因此鐵損也是極小的(在方波電流驅(qū)動時,電樞磁勢的軸線是脈動的,會在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生一定的鐵損)?？偟膩碚f,除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦損耗外,轉(zhuǎn)子的損耗很小,因而進一步增加了工作的可靠性。隨著電子技術(shù)的進步,電子工業(yè)的發(fā)展,電子元器件的價格不斷下降?？紤]綜合指標(系統(tǒng)性能、重量、能量消耗等)之后,無刷直流電機的應(yīng)用正處于上升趨勢。在工業(yè)應(yīng)用中,無刷直流電動機在快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率、耐受環(huán)境和經(jīng)濟性等方面具有明顯優(yōu)勢。近幾年,隨著稀土永磁材料和電力電子器件性能價格比

5、的不斷提高,無刷直流電動機作為中小功率高性能調(diào)速電機和伺服電機在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。1.2無刷直流電動機的研究和開發(fā)進展稀土永磁無刷電動機效率高,性能好,體積小,重量輕,安全可靠,無需維修,壽命長,因而已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在數(shù)控機床、航空航天、計算機外圍設(shè)備等高科技領(lǐng)域中?，F(xiàn)代的無刷直流電動機,其構(gòu)造實際上是1臺永磁式步進電動機(一種永磁式同步電動機)。其轉(zhuǎn)子是由永久磁鐵組成,定子上存在著多相繞組,如圖1所示的是常用的三相無刷電機的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖。圖1.1 無刷電機結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 除此之外,有人已經(jīng)開發(fā)研制了高性能的五相直流無刷電機,高性能價格比的兩相無刷直流電動機。它們使用的都是直流電源,通過如圖

6、1所示的閉環(huán)控制線路,將直流電源按照給定的順序輪流地接通各相繞組,使無刷電動機達到給定的運行特性。可見,無刷直流電動機就其基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言,主要包括永磁電動機本體、控制電路和位置傳感器三部分組成,其原理方框圖如圖2所示。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。圖1.2 無刷直流電動機結(jié)構(gòu)原理框圖永磁電動機本體的性能價格比主要由所選用的永磁材料本身的性能價格比和無刷電動機磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝的合理性決定。1.3 無刷直流電動機在工業(yè)中的應(yīng)用目前在工業(yè)先進的國家里,工業(yè)自動化領(lǐng)域中的有刷直流電動機已經(jīng)逐步被無刷直流電動機所替代?，F(xiàn)在從國外進口的設(shè)備中,已經(jīng)很少看到以有刷直流電動機作

7、為執(zhí)行電動機的系統(tǒng)了。這些國家相關(guān)的公司(如美國、英國、日本、德國等)已經(jīng)不再大量生產(chǎn)伺服驅(qū)動用的有刷直流電動機了。在一般的工業(yè)驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域,不論電機設(shè)計還是系統(tǒng)設(shè)計,提高效率節(jié)約能量都應(yīng)該被放在重要的位置。據(jù)報道,美國55%以上的電力是消耗在電動機運行上,因此提高電動機的效率,很有意義。在所有類型電機中,無刷直流電動機的損耗最小、效率最高。有資料做過對比分析, 對于7.5kW的異步電機系統(tǒng)效率可達86.4%,但是同樣容量的無刷直流電動機效率可達92.4%。6隨著電子技術(shù)的進步,電子工業(yè)的發(fā)展,電子元器件的價格不斷下降?？紤]綜合指標(系統(tǒng)性能、重量、能量消耗等)之后,無刷直流電機的應(yīng)用正處上升

8、趨勢。無刷直流電動機在工業(yè)中應(yīng)用也越來越廣,應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1.4 無刷直流電動機的發(fā)展趨勢無刷直流電動機是一種機電一體化產(chǎn)品,除了傳統(tǒng)的電機本體外,還必須帶有傳感器,以檢測定、轉(zhuǎn)子之間相對位置。而且離開了驅(qū)動控制電路,它不可能運行。同樣的,電子技術(shù)和電子元件的發(fā)展又進一步推動無刷直流電動機的發(fā)展。1.4.1 性能改進和新品種的開發(fā)無刷直流電動機中,應(yīng)該進一步改進的問題中首先是轉(zhuǎn)矩脈動,尤其是用于視聽設(shè)備、電影機械、計算機中的無刷直流電動機,更要求運行平穩(wěn)、沒有噪聲。在這些應(yīng)用場合中的電動機,大多為小功率、小尺寸的電動機,尺寸緊湊,改動更為困難。為了改進性能,利用計算機進行模擬、分

9、析、計算、比較,研究氣隙磁場形狀和磁極結(jié)構(gòu),選擇合適的極對數(shù)和槽數(shù)以及合適的槽口尺寸。為了滿足各種要求,也在不斷的開發(fā)各種類型的無刷直流電動機。如:無槽電機,定子鐵心無齒槽只有磁軛,定子繞組直接放在定子鐵心軛上;盤式電機,具有兩個軸向的氣隙,在小容量的情況下,這種電機容易做到低噪聲、低振動、低轉(zhuǎn)矩脈動,高效率、高功率密度。和有刷直流電動機相對應(yīng),新品種中還包括:無刷直流力矩電動機、無刷直流直線電動機、無刷直流有限轉(zhuǎn)角電動機、低慣量無刷直流電動機等等20。2無刷直流電動機結(jié)構(gòu)和原理2.1 無刷直流電動機 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。因此，有刷直流電動機必須有一個滑動的接觸

10、機構(gòu)電刷和換向器，通過它們把電流饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。無刷直流電動機卻與前者剛好相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞。這樣，電子換向線路中的功率開關(guān)元件，如晶體管或可控硅等直接與電樞繞組連接。電動機內(nèi)還裝有一個位置傳感器，它與電子換向線路一起代替了有刷直流電動機的機械換向裝置。綜上所訴，無刷直流電動機及驅(qū)動系統(tǒng)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。2.1.1 電動機本體電動機的本體主要是有主定子和主轉(zhuǎn)子構(gòu)成. 主定子是電動機本體的靜止部分。主轉(zhuǎn)子是電動機的本體轉(zhuǎn)動部分，是產(chǎn)生激磁磁場的部件。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。電動機轉(zhuǎn)子由釹鐵硼永磁材料

11、構(gòu)成。在定轉(zhuǎn)子形成的氣隙中產(chǎn)生N-S極相間的方波磁場，所以也把這種電動機稱為“方波電動機”。為了使電動機繞組準確換向，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器，作為轉(zhuǎn)子極性的位置信號。2.1.2 位置傳感器檢測主轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器是實現(xiàn)無接觸換向的一個極其重要的一個組成部件，因此，它是無刷直流電動機的一個關(guān)鍵部分。目前在無刷直流電動機中常用的位置傳感器有霍爾元件、光電管、電磁式位置傳感器和索尼磁性二極管(SMD)等。位置傳感器可分為接觸式和無接觸式兩種。接觸式傳感器出現(xiàn)的較早，它的結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，用于比較簡單的場合。它和有刷直流電動機相比較，無疑是一種創(chuàng)新，因它把有刷直流電動機的大電流直接接觸（電源通過電刷

12、、換向器的接觸而加到電樞繞組中去）該為小電流接觸，然后通過放大而把電源加到電樞繞組中去。但是，這種結(jié)構(gòu)仍然存在機械接觸，當電動機連續(xù)工作幾千小時后，傳感器的閉合次數(shù)十分頻繁，可高達109次之多。這顯然比觸頭所允許的閉合次數(shù)大好幾個數(shù)量級。當強烈震動，高真空及腐蝕性介質(zhì)中工作時，運行不可靠，甚至有危險，不能維修，在有些自動控制系統(tǒng)、飛行器、核動力裝置和能源裝備等不宜采用。無接觸式位置傳感器則能彌補上述不足。因此本次畢業(yè)設(shè)計則采用霍爾位置傳感器來檢測主轉(zhuǎn)子的位置。2.1.3 電子換向電路電子換向電路和位置傳感器相配合，起到與機械換向器類似的作用，所以，電子換向電路也好似無刷直流電動機實現(xiàn)無刷接觸換

13、向的一個重要組成部分。電子換向電路的任務(wù)是將位置傳感器的輸出信號進行解調(diào)，預放大，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。2.2 無刷直流電動機的原理與運行特性無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以設(shè)計無刷直流電動機時首先必須了解其工作原理，了解其換向，換流過程以及定子、轉(zhuǎn)子的設(shè)計和位置傳感器的選擇，這對與設(shè)計無刷直流電動機有著極為重要的意義，下面將對以上內(nèi)容做具體的分析。2.2.1 無刷直流電動機的工作原理一般所說的直流電動機是指具有換向器和電刷的直流電動機。在這種電動機中定子側(cè)安裝固定主磁極和電刷,轉(zhuǎn)子側(cè)安放電樞繞組和換向

14、器。直流電源的電能通過電刷和換向器進入電樞繞組,產(chǎn)生電樞電流,電樞電流與主磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,帶動負載。然而由于電刷和換向器的存在,結(jié)果產(chǎn)生了一系列致命的弱點: 結(jié)構(gòu)復雜,可靠性差,故障多,需要維護,維護又困難,壽命短。 換向火花形成電磁干擾。無刷直流電動機就是在保留有刷直流電動機的優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上,為去除電刷和換向器而研究開發(fā)的。由于無刷直流電動機沒有電刷和換向器,它的繞組里電流的通、斷是通過電子換向電路及功率放大器實現(xiàn)的。要在電動機中產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩,就應(yīng)使電樞電流隨磁場位置的變化圖隨無刷直線電動機原理示意圖而變化。為實現(xiàn)這一點,就需要確認磁極與繞組之間的相對位置信息。一般采用位置

15、傳感器來完成,由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號,然后去驅(qū)動功率器件,控制相應(yīng)繞組電流的通、斷。與有刷直流電動機不同,無刷直流電動機的永久磁鋼磁極安放在轉(zhuǎn)子上,而電樞繞組安裝在定子上。位置傳感器也有相應(yīng)的兩部分,轉(zhuǎn)動部分和電動機本體中轉(zhuǎn)子同軸連接(轉(zhuǎn)動部分通常由電機轉(zhuǎn)子代替),固定部分與定子相連。2.2.2 運行特性分析無刷直流電動機是隨著電子技術(shù)迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機。傳統(tǒng)的直流電動機存在換向器，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題，由此帶來火花、維護困難、壽命短等致命缺陷，但直流電動機的調(diào)速性能好，起動性能好，控制性能好，故在調(diào)速性能要求高的場合，可用直流

16、電動機。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和高能永磁材料的出現(xiàn)，能使直流電動機做得和交流電動機一樣結(jié)構(gòu)簡單，耐用，而又具有良好的性能。無刷直流電動機的運行特性是指電動機在起動、正常工作和調(diào)速等情況下，電動機外部分可測物理量之間的關(guān)系。電動機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械。因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)距、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速隨輸入電壓、電流、負載變化而變化的規(guī)律，據(jù)此，電動機的運行特性可分為：起動特性、工作特性、機械特性和調(diào)速特性。 3無刷直流電機驅(qū)動器的基本功能在無刷直流電動機中，換向、控制部分實際上起到了直流電動機中電刷整流子的換向作用，是產(chǎn)品設(shè)計中一個至關(guān)重要的問題。要實現(xiàn)無刷直流電動機的定子繞

17、組在轉(zhuǎn)子磁鋼不同位置時的逐相順序通電，就必須用轉(zhuǎn)子位置信號來控制與定子繞組串聯(lián)的功率開關(guān)元件的導通順序我們采用磁鋼與開關(guān)型霍爾元件作為位置傳感器一套了良好的無刷直流電動機的電子線路必須滿足工作穩(wěn)定可靠，功率損耗小，壽命長，成本低等要求，這些就是我們設(shè)計無刷直流電動機的電子線路的出發(fā)點。一臺完整的無刷直流電動機是由電動機的本體、位置傳感器和電子線路組成。電子線路又由震蕩電路、解調(diào)電路和功放電路組成。 3.1 電流換向功能 換向功能主要由位置傳感器、邏輯電路及功放電路共同完成。位置傳感器將轉(zhuǎn)子的位置信號反饋到驅(qū)動器的邏輯電路部分，其輸出信號經(jīng)電壓放大去驅(qū)動功放縱，功效部分向電機繞組按邏輯要求輪流供

18、電，電機就按一定方向旋轉(zhuǎn)起來。這些就是無刷直流電機原理的基本構(gòu)架。它是驅(qū)動器的核心部分。驅(qū)動器一切其它功能都是圍繞它進行設(shè)計的。3.2 調(diào)速功能 該功能是無刷直流電機驅(qū)動器的附加功能，但確是極其主要的功能。 有刷直流電機調(diào)速有兩種方法，一個方法是調(diào)節(jié)電機激磁電流，在它激直流電機中可采用該方法。但在永磁直流電機中這種方法就不行。另一種方法是調(diào)節(jié)電機供電電壓，這是通用的方法，目前直流電機調(diào)速器都是采用這種方法，無刷直流電機也不例外，它是通過驅(qū)動器來實現(xiàn)的。3.3 驅(qū)動電路工作原理 驅(qū)動線路工作原理是：位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接接受電動機轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號，并把它轉(zhuǎn)換成電信號輸出給邏輯控

19、制電路邏輯控制電路對輸入信號進行邏輯分析、判斷，經(jīng)過波形變換后輸出脈沖信號，供給功率邏輯開關(guān)，使電動機定子各相繞組按一定次序?qū)?，則定于相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的順序換相(流)從而驅(qū)動電動機不斷按一定方向運轉(zhuǎn) 4 無刷直流電動機調(diào)速器裝配工藝 調(diào)速器裝配工藝可以分為4大步驟,分別為壓裝銅套、搖臂,組裝搖臂,彈簧、限位銷組裝,霍爾板、撥叉組裝。.1壓裝銅套、搖臂所需零件及用量為開關(guān)軸套一個、開關(guān)盒一個、搖臂一個、卡簧一個、平墊片(D8)一個、開關(guān)軸一個、止付螺絲M5*8。輔助工具有專用工裝夾具手壓機、卡簧鉗、手壓機、T型內(nèi)六角板手。.1.1壓裝銅套、搖臂的步驟 圖4.11用手壓機把開關(guān)軸套壓進開關(guān)盒機ø孔內(nèi)；2用卡簧鉗將卡簧裝入開關(guān)軸滾花端卡槽內(nèi)；3開關(guān)軸滾花端壓入搖臂孔內(nèi),然后將墊片裝入開關(guān)軸緊貼卡簧端面；4將止付螺絲粘取適量的5319螺紋膠,鎖入搖臂；.1.2壓裝銅套、搖臂注意事項及自檢內(nèi)容注意事項：1在壓裝時銅套必須放垂直，倒角面大的向下，否則將擠裂銅套孔外壁；2卡簧鉗夾裝卡簧時開口不易過大，卡簧無變形。3開關(guān)軸與搖臂D型面必須對齊，壓裝到搖臂端面貼緊卡簧為止；注意墊片安裝方向；4螺栓鎖緊，避免滑絲；自檢內(nèi)容：1、壓裝銅套到位，開關(guān)盒軸套 孔外壁無破損，擠裂現(xiàn)象;2、開關(guān)軸壓裝到位;3、螺絲鎖