(完整版)無刷電機的設(shè)計最終版

永磁直流電機實用設(shè)計與技術(shù)9章典型電機設(shè)計 9-10直流無刷電機的設(shè)計9-10-1直流無刷電機的概述直流電機有無可倫比的優(yōu)點，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，速度變化范圍大，供源簡單，移動方便，價格低廉，制造簡單，工藝性好等等，是我國用量最大的一種電機。但是直流電機由于換向的需要，因此必需要由電刷和換向器來換向。由于換向器和電刷的作用，就給電機帶來各種不良的影響，如噪聲，電刷運行壽命，電機干擾和電機本身體積等問題。直流電機最大的缺點是電機壽命遠遠不如交流電機，交流同步電機等等無刷電機。交流電機，交流同步電機是交流供電的，由于用的是交流電源，在50HZ的交流電源中，一對極的交流異步電機的同步理論轉(zhuǎn)速是:，在交流同步電機中的同步轉(zhuǎn)速也應(yīng)該為，如果把電源的頻率調(diào)高或調(diào)低，則電機的工作轉(zhuǎn)速也可以很高或者較低的。但這個電機的供源是交流電，如果把直流電源通過電路的轉(zhuǎn)換，變成可以交變的波形供給交流電機或交流同步電機，那么交流異步電機或交流同步電機也可以很好的轉(zhuǎn)動起來的，這就是直流無刷電機的最直觀的概念。要把直流電轉(zhuǎn)換成單相或三相交變電源，在上世紀中葉還是一個非常麻煩的事，那時只有電子真空管，體積很大，輸出電流很小，那時臺式收音機就有12英寸的電視機那么大，無法和現(xiàn)在手指那么大的MP3相比擬。后來發(fā)明了半導體和相應(yīng)的各種半導體技術(shù)使電子控制技術(shù)推向了一個新紀元。各種電源逆變，分配技術(shù)，換相技術(shù)的相繼出現(xiàn)，許多高性能，高功率的半導體器件的研制成功，從而使電機領(lǐng)域出現(xiàn)了機電一體化的步進電機，直流無刷電機，并迅速在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。當出現(xiàn)了永磁直流無刷電機后，就體現(xiàn)了它強大的生命力，永磁直流無刷電機有許多優(yōu)點，如干擾小，(電路部分有一定的電磁干擾的)，運行壽命長，調(diào)速性能好，控制方法多，輸出力矩大，過載能力強，調(diào)速范圍寬，起動響應(yīng)快，運行平穩(wěn)，效率高等。永磁無刷直流電機有許多交流異步電機，步進電機和直流電機不具備的優(yōu)點。它廣泛應(yīng)用于辦公機械，電腦，音響，通風行業(yè)，自動控制，儀器儀表，汽車，國防工業(yè)等等領(lǐng)域，特別一提的是，在電腦中，光驅(qū)動器，硬盤，DVD等大量用了非常精密的形式不一的永磁無刷直流電機，目前社會上人們所騎的電動自行車上的電機絕大都數(shù)是采用了永磁直流無刷電機，這個量非?？捎^，這些也是用得最廣泛，生產(chǎn)量最多的直流無刷電機。永磁直流無刷電機已經(jīng)在時刻影響著人們的生活，在左右人類的生活的歷史。隨著控制器的小型化，模塊化，以前做得較大的控制器現(xiàn)在可以做得更小，有的可以和電機做在一起，使永磁無刷電機使用起來那么方便，那么的得心應(yīng)手。許多永磁直流電機日益被永磁無刷直流電機所替代。在電機界，研究，開發(fā)永磁直流無刷電機是一種新的趨勢。這方面的論著也比以往多起來了。9-10-2永磁直流無刷電機工作原理從電磁原理看，電機中如果一個永磁多極磁鋼的轉(zhuǎn)子(一對極也可以)，外面的定子是由相對應(yīng)極數(shù)的線圈組成，定子線圈如果能夠產(chǎn)生一個單向的旋轉(zhuǎn)磁場(不是脈振磁場)的話，轉(zhuǎn)子因為該磁場的磁極作用而跟轉(zhuǎn)，這樣電機就可以轉(zhuǎn)動起來，如果轉(zhuǎn)子上加了個負載，為了使轉(zhuǎn)子能夠同步轉(zhuǎn)動，電源必須需供給電機定子更大的電流，從而產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，電機就能作功。這就是直流無刷電機的電磁原理。由直流電源產(chǎn)生定子上一個旋轉(zhuǎn)磁場，要有二個條件:定子必需有相應(yīng)能通過電源分配器能夠產(chǎn)生均勻旋轉(zhuǎn)磁場的線圈把直流電轉(zhuǎn)換成按一定的規(guī)律分配給定子相應(yīng)線圈電能的電源分配裝置因此無刷永磁直流電機必定的由電機和驅(qū)動這二部分組成。永磁無刷直流電機的電機有各種各樣的結(jié)構(gòu)和形狀，有長圓柱形，轉(zhuǎn)子是永磁的，定子是由象交流電機定子形式一樣的，有隱極的也有突極的，這種形式是內(nèi)轉(zhuǎn)子式的，也有外轉(zhuǎn)子式的，定子是在里面，轉(zhuǎn)子是在外面，轉(zhuǎn)子上粘著磁鋼，最典型的就是我們電腦中CPU的冷卻風葉電機，更典型的是電動自行車電機，俗稱輪轂電機。在電機中，交流三相電機運行是非常好的，三相的電角度相差120°，而交流單相電機經(jīng)電容移相后組成的二相電機，其夾角不能很好地成90°。在永磁無刷直流電機中，如果能使電機定子產(chǎn)生三相旋轉(zhuǎn)磁場，讓轉(zhuǎn)子平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動，這是非常好的，因此許多場合的永磁無刷直流電機中的定子就用三相繞組的排列方法。實際上，永磁無刷直流電機電源就是把直流電源變成三相或二相脈沖電源，最好產(chǎn)生正弦波提供給電機，但由于從直流波形產(chǎn)生產(chǎn)嚴格的正弦波是比較困難的，現(xiàn)在好多電子交流穩(wěn)壓器輸出的波形還不是嚴格的正弦波，波形的失真度較大，所以小小的動驅(qū)動電源是不可能做到這點的，實際上，方波輸出的驅(qū)動電源用在永磁無刷直流電機上還是相當?shù)暮玫?。一般的永磁無刷直流電機是定子和定子線圈的排列的方法和分析問題的觀點和交流電機定子基本相似，轉(zhuǎn)子和交流同步電機轉(zhuǎn)子相似，驅(qū)動電源和步進電機驅(qū)動電源相似。大都數(shù)電機上還增加了轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器。這是一種機電一體化的電機。如果讀者搞過單，三相交流電機，那么永磁無刷直流電機的定子排線，分布絕對沒有問題，如果讀者又搞過步進電機的驅(qū)動電源的話，那么對無刷電機的驅(qū)動電源也是毫無問題的。永磁無刷直流電機的主要尺寸和線圈匝數(shù)的設(shè)計計算作者會介紹實用的，比較簡單的方法去解決問題的。所以永磁無刷直流電機的設(shè)計也不是非常困難的，沒有搞過無刷電機的也不要有畏難情緒。我們來談?wù)勅绾问闺姍C能夠產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場呢?我們可以從交流電機分析著手。三相相交流電機三相波形如下圖:圖9-1-1它們的三相繞組的機角度和電角度都是120°，為此形成一個旋轉(zhuǎn)磁場。如果我們能使永磁無刷直流電機的定子波形是上述形式，轉(zhuǎn)子是多極永磁體組成，那么運行起來非常好的，如果這樣的定子，去掉轉(zhuǎn)子，在定子內(nèi)放一顆鋼珠，那鋼珠也會沿定子內(nèi)腔壁轉(zhuǎn)動起來的。在電機中有一種叫交流爪極同步電機，它由一個定子線圈產(chǎn)生N對磁極，轉(zhuǎn)子是由N對磁極組成。每個相同的極隨交流電源的波形同時改變極性。因此這種電機定子的磁場的脈振的，不具有使轉(zhuǎn)子跟轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，所以這種電機的啟動是有問題和相當困難的，人們想盡辦法使這種結(jié)構(gòu)比較簡單的電機能夠啟動。家用的微風扇就是這種交流永磁式同步電機的典型例子。這種電機是人們設(shè)置了定子和轉(zhuǎn)子某些極不太對稱時形成的相對磁極中心偏所引起的來回振動，并對設(shè)置的扭簧給予一個逐漸增大的彈力，當扭簧的反彈力使轉(zhuǎn)子的運行速度跟上電源的頻率變化時，這樣轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)了起來。因此開啟這種微風扇時，發(fā)現(xiàn)電扇要來回扭動多次后才能正常工作。還有許多交流永磁同步電機解決電機啟動的辦法，如每個極的小部分極用短路環(huán)罩起來，使該部分的磁通滯后該極的磁通，二個磁場的夾角非常小，不能成90°標準夾角的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。而是產(chǎn)生了非常橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，當然這種電機要比脈振磁場好。這種電機啟動力矩小，因為短路環(huán)的原因，損耗特別大，因此電機效率很差，又不能調(diào)速，這種電機適用范圍小。以上啟動方式和運行性能，在高檔產(chǎn)品上的不能接受的。因此永磁無刷直流電機不宜采用這些形式。在現(xiàn)在的電機中有一種叫爪極步進電機(PM電機)，由二個單相爪極同步電機極與極按一定規(guī)律的角度拼接而成，一個與定子極對數(shù)相同的永磁體轉(zhuǎn)子，二個線圈可以中心抽頭，也可以不抽頭。如果抽頭就形成了4個線圈，這4個線圈是由驅(qū)動電源供電。驅(qū)動電源按一定規(guī)律對線圈供電，使線圈通電的時間先后，產(chǎn)生了多極的可以調(diào)變速度的旋轉(zhuǎn)磁場，從而使轉(zhuǎn)子跟轉(zhuǎn)起來。因為該種電機運行是按驅(qū)動電源分配的脈沖方波一步一步的轉(zhuǎn)動的，所以稱步進電機，這也可以講它也是一種永磁無刷直流電機，這種電機也有其自身的缺點。我們是把永磁直流電機的換向器，電刷去掉，借以電子控制電機的換向，達到使轉(zhuǎn)子能象有換向器的永磁直流電機那樣很好地轉(zhuǎn)動，這種用電子控制直流電機換向的電機我們稱為永磁無刷直流電機。現(xiàn)在稱永磁無刷直流電機基本上都是指的以上形式的電機。我們在這一節(jié)里，對永磁無刷直流電機的工作原理進行簡要介紹。我們用三槽永磁無刷直流電機作個介紹。一般直流電機的定子是有磁鋼而且是固定的，有繞組的轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動是相對的，如果我們設(shè)定該電機的有繞組的轉(zhuǎn)子不動，那么相對轉(zhuǎn)子來講，有磁鋼的定子是以同樣的速度在轉(zhuǎn)動的。一般講，固定不動的是定子，轉(zhuǎn)動的是轉(zhuǎn)子，因此永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)子，不管是內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子都是粘有磁鋼的，而定子都是有繞組而固定不動的。這一點是永磁直流電機和永磁無刷直流電機的區(qū)別之一。下面是電機需要換向的圖9-10-12所示:這個換向工作一般用換向器來完成，如果用電子控制器來完成，那么這就是無刷電機了。我們應(yīng)該說在B圖示的位置，線圈的電流必須開始反向B端進入，這樣線圈極性反向，二個S極相互排斥，從而使線圈繼續(xù)同向運行。如何使轉(zhuǎn)動的線圈能知道自己已經(jīng)轉(zhuǎn)到在B圖示位置，并指示控制器把電流從A端換到B端輸入呢?現(xiàn)在一般的辦法是在適當?shù)奈恢醚b有磁場檢測元件，這個元件一般用霍爾元件。圖9-10-2當一個金屬塊進入磁場后其金屬的兩端會產(chǎn)生一個微小的電位差，這個效應(yīng)是霍爾發(fā)現(xiàn)的，所以稱霍爾效應(yīng)。當霍爾元件剛進入一個磁鋼的時候，應(yīng)該是線圈中心和磁鋼中心重合的時候，那個霍爾元件的位置就是我們需要檢測和控制電子控制器(分配器)換向的位置。在這個位置，霍爾元件產(chǎn)生一個微小電壓，經(jīng)過放大器放大，進入開關(guān)元件的控制極，完成導通或關(guān)閉某些開關(guān)元件，從而達到使電機某個線圈的換向的目的。下圖是單極霍爾元件放置位置:圖9-10-3這個霍爾元件和線圈相對位置必須固定，并且必須與線圈一起轉(zhuǎn)動才行。如果是三槽轉(zhuǎn)子的電機，霍爾元件就應(yīng)該如下放置:圖9-10-4我們看該轉(zhuǎn)子如何連續(xù)運行的:圖9-10-5從上面看，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°機械角度時，轉(zhuǎn)子極B已經(jīng)在磁鋼S極的中心了，此時轉(zhuǎn)子B極的B線圈就需要換向，轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)60°機械角度時，轉(zhuǎn)子極C已經(jīng)在磁鋼N極的中心了，此時轉(zhuǎn)子C極的C線圈就需要換向，因此雖然線圈夾角為120°機械角度和電角度，但是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°角度時，三個線圈的電流狀態(tài)是相對發(fā)生了改變。就是說，電樞繞組的磁勢是以60°步距跳變的，但是轉(zhuǎn)子的運行是連續(xù)的。我們必須要說，這種霍爾元件的放置方法是電機順時針方向運行，如果逆時針方向運行這種方法，在這種二極三槽電機上看要正常運行是很困難的。從上面看一個極的電子換向要一個磁極檢測霍爾元件，二個受霍爾元件控制的開關(guān)管。所以在三槽轉(zhuǎn)子(即轉(zhuǎn)子上有三個極)的無刷電機中，有三個霍爾元件，六個開關(guān)管和三組線圈組成。而三個線圈大都是星形接法，也有三角形的接法。以上僅是原理性地解釋了無刷電機的運行原理。但是這樣實現(xiàn)是比較煩的，要實現(xiàn)起來較為復雜，相關(guān)的方面多，實際工作中，人們用不同的方法來實現(xiàn)直流電機的無刷電子換向。以下是無刷電機三相星形橋式接法的換流電氣原理圖:圖9-10-6無刷電機設(shè)計的書多了起來，經(jīng)常有講課。讀者可以看相關(guān)的無刷電機專著。9-10-3永磁直流無刷電機的介紹下圖是常用的永磁直流無刷電機的外形圖。圖9-10-7圖9-10-8圖9-10-9電機由轉(zhuǎn)子，定子和換相和檢相元件組成。轉(zhuǎn)子一般可以是外轉(zhuǎn)子或內(nèi)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上多極塊形磁鋼或環(huán)形磁鋼組成。定子一般是突極或隱極的，極上有繞組。在定子上的特定位置安放位置檢測元件控制電機的正常換相，如現(xiàn)在大多數(shù)用的是霍爾元件，當然光電檢測控制換相也是可以的。所以從這個方面看，如果單是從無刷電機看，結(jié)構(gòu)是非常簡單的。簡單到完全可以和交流異步電機相比。下圖是內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁直流無刷電機的六極定子片:圖9-10-10這是一種突極定子片，繞組是集中繞組，繞在每個極上，產(chǎn)生三對磁極。下圖是電動自行車無刷電機的定子圖，這種電機也是突極的，是集中繞組:圖9-10-11下圖是無刷電機的環(huán)形轉(zhuǎn)子磁鋼，是粘結(jié)釹鐵硼磁鋼:圖9-10-12該磁鋼做成轉(zhuǎn)子后是個二對極的轉(zhuǎn)子，就是講，該磁鋼是二對極的磁鋼。也有用鐵氧體磁鋼分塊拼起，用銅套套住以防磁鋼飛出來的無刷電機轉(zhuǎn)子。圖9-10-13下圖是電動自行車無刷電機的輪轂，其內(nèi)壁粘了40塊燒結(jié)釹鐵硼磁鋼，這種形式就是無刷電機中的外轉(zhuǎn)子。圖9-10-14在電腦中CPU風扇，就是最簡單的外轉(zhuǎn)子無刷電機，它的磁鋼是一個多極充磁的磁環(huán)。9-10-4永磁直流無刷電機繞組的介紹永磁無刷直流電機的繞組在電機中占了很大的比重，這和一般直流電機的繞組有很大的區(qū)別。作者在第五章和第九章第六節(jié)的盤式電機設(shè)計中分別介紹了直流電機的疊繞組和波繞組的形成和排列方法。但是該永磁無刷直流電機的繞組形式完全和上面幾章介紹的不一樣，因此如果要想對永磁無刷直流電機進行了解，那么必須對無刷電機定子的繞組有一個清晰的認識。無刷電機的繞組分顯極和隱極。顯極是一個繞組線圈繞在電機定子一個齒上，定子的一個齒就是電機的一個極。每個極是極易分明的。這種繞組也叫做集中繞組。隱極是電機的一個線圈它繞在定子的多個齒上，定子的極不象顯極的那樣明顯，這就是所謂的隱極。一般交流單，三相異步電機的定子線圈大都是采用隱極式排布。也叫做分布繞組。常用是永磁無刷直流電機的定子線圈大都采用三組線圈，形成120°電夾角。在一對極中形成120°的機械夾角。那么二對極的轉(zhuǎn)子的永磁無刷直流電機中，線圈必定是60°的機械夾角了。但是電夾角還是120°。一對極性相反的線圈應(yīng)該是180°機械夾角，那么二對極的轉(zhuǎn)子的永磁無刷直流電機中，線圈的機械夾角必定是180°/2=90°了.線圈接法有三角形接法和星形接法。我們可以確定地說，繞組必須遵循如下原則:三相繞組必須是120°電角度，電角度=極對數(shù)×機角度；每對相反極性的線圈的機械夾角為:,P為極對數(shù)；一相線圈的各組順序排列的線圈的極性必須是相反的，數(shù)量之和還必須是偶數(shù)；三相線圈個數(shù)必須相等；(這里的極指的是定子極)我們先分析一下簡單的突極電機:1．6極電機定子線圈:定子沖片如下圖:圖9-10-15我們可以分析幾種永磁無刷直流電機定子線圈的排列。下圖為6極(三相二極)電機定子線圈下線圖:如果是星形接法，則相連，為線圈3個進線頭；如果是三角形接法，則相連，為線圈3個進線頭；圖9-10-16下圖為12極(三相4極)電機定子線圈下線圖:B相C相下線方法與A相相同。但必須注意每相相對位置，即起頭位置。如果是星形接法，則相連，為線圈3個進線頭；如果是三角形接法，則相連，為線圈3個進線頭圖9-10-17同一種6極電機，線圈下線和接線不同，霍爾元件可以有如下排列圖9-10-18圖9-10-19圖9-10-20從上面的4種方法看，只有霍爾元件在圓周360°均布成120°夾角時，能用在不同場合而不要改變其位置和反向。如下永磁無刷直流電機排線圖實例，這樣每相是2對極。屬于一種一個極隱極電機，就是說每個凸極都的同極性的。圖9-10-21以上介紹的是集中繞組的“凸極”的排列，還有許多稍大的無刷電機都是用多極的定子，一般集中繞組采用的有6極，12極。如18極，24極，36極的定子一般都采用分布繞組。在分布繞組中，線圈繞組繞有規(guī)律地繞在多個定子齒上，組成各種不同的繞組形式，如同心式，，單層鏈式，單層交叉式，單雙層式，雙層迭繞式等等繞組形式。這些繞組形式和交流電機的繞組極為相似，只要有交流異步電機設(shè)計或修理知識的人都是非常熟悉的。下面介紹24極的分布繞組，24極的分布繞組可以組成同心式，單迭繞組等形式:具體見下圖。下圖是24槽4對極的無刷電機線圈繞組排線圖:圖9-10-22其中A,BC,分別是三組線圈的頭，A’,B’C’分別是三組線圈的尾線。三組線圈分別相差120°電角度。每個線圈都是同極性的。同樣是24槽的定子，可以做成2對極，那么接線就不一樣。相鄰兩個線圈的極性是相反的。圖9-10-23同樣我們可以把霍爾元件在圓周360°均布:圖9-10-24我們可以用24槽做成2對極的同心式的繞組分布，其他槽數(shù)原理是一樣的，這里就不多講了，讀者可以自己分析。以上我們分析了無刷電機定子的線圈排布，這些都是三相的，其實在無刷電機中，線圈是二相的也是很多的，例如在一些小功率的風機中，象電腦內(nèi)的CPU中的簡單的風扇，都是采用二相的，二相的無刷電機存在著起動時的許多問題，雖然其驅(qū)動線路簡單，在很多場合還是不太采用。我們相信隨著電子技術(shù)的發(fā)展，二相的無刷電機會得到很大的發(fā)展的。9-10-5永磁直流無刷電機定子極數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)的配合一般無刷電機的定子的槽數(shù)都采用是3的倍數(shù)，因為這樣定子可以組成3相的繞組，電機啟動和運行起來非?？煽俊Ｒ话阕钌偈?個極的，最多經(jīng)常遇到的是36槽。而定子的選用是要重視一些，因為如果二者配合不好，電機運行是不太好的。在一般的電機轉(zhuǎn)子，都是用磁鋼組成，有些是用環(huán)形磁鋼，有些是把磁鋼一塊一塊地膠在轉(zhuǎn)子支架上的。我們選擇磁鋼極數(shù)和相鄰二塊磁鋼的極性的選擇原則是應(yīng)該知道的。如果我們用的是4極(2對極)磁鋼圖9-10-25在這種情況下，可以看出，A相的二個極的極性必須是同極性的，也就是說，電機定子每個極必須是同極性的。如果電機定子設(shè)置的是不同極性的話，那么轉(zhuǎn)子的極性數(shù)量和充磁必須考慮周到。如果轉(zhuǎn)子是2極即1對極的話，就是在一對極中定子必須至少包含定子三相的三組線圈，如果是定子是集中繞組的話，那么定子必須是要有最少要有3個極組成。如果轉(zhuǎn)子是4極即2對極的話，就是在一對極中定子必須包含定子三相的三組線圈，如果是定子是集中繞組的話，那么定子必須是要有最少要有6個極組成。如果轉(zhuǎn)子是6極即3對極的話，就是在一對極中定子必須包含定子三相的三組線圈，如果是定子是集中繞組的話，那么定子必須是要有最少要有9個極組成，以此來推。三相定子和轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系:轉(zhuǎn)子極數(shù)典型定子相同極數(shù)的槽數(shù)23，6，12，18，24,30,36要可以被3整除且為1或偶數(shù)46，12，24，36要可以被6整除且為1或偶數(shù)69，18，36要可以被9整除且為1或偶數(shù)單相定子和轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系:轉(zhuǎn)子極數(shù)典型定子相同極數(shù)的槽數(shù)24，8，10，12，14，16,18,20,22,24,36要可以被2整除且為1或偶數(shù)44，8，12，16，20，24，28，32，36要可以被4整除且為1或偶數(shù)66，12，18，24，36要可以被6整除且為1或偶數(shù)如果每個槽內(nèi)考慮有二個線圈邊的話，那么就不一定是偶數(shù)了。如三相定子和4極轉(zhuǎn)子，那么定子可以選用18槽的。應(yīng)該講，考慮到工藝等因素，定子選用如:6，12，24，36槽，轉(zhuǎn)子選用4極在二，三相無刷電機中是非常通用和合理的。二相電機中選用4極磁鋼和4極定子也是非常通用的。如果我們選定了無刷電機的相數(shù)，電機轉(zhuǎn)子的極數(shù)，又選定了定子的槽數(shù)，那么電機繞組的形式基本上就定了下來。我們選定3相，轉(zhuǎn)子4極，定子12槽作一個無刷電機的繞組分布圖:圖9-10-26現(xiàn)在介紹這張圖是怎么畫出來的。首先看轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，該轉(zhuǎn)子4極，2對極。所以每一對極包含6個齒，二個齒之間電角度為因為是選用三相繞組，為此每相有2個齒，采用集中繞組方法，一個齒為N極，一個齒可以做成S極。同相線圈接線為:尾—尾，頭—頭。每相之間，電角度要120°，為此第二相的極要在第三個齒下線?；魻栐梢栽谡麄€圓周上均布，成120°夾角即可。如果霍爾元件要近一些，放成夾角為60°，即在從A相線圈起，相隔一槽的三個定子槽中心位置，放置三個霍爾元件即可。見下圖圖9-10-27我們選定3相，轉(zhuǎn)子4極，定子26槽作一個無刷電機的繞組分布圖:先看轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，該轉(zhuǎn)子4極，2對極。所以每一對極包含18個齒，二個齒之間電角度為因為是選用三相繞組，為此每極相有6個齒，為此可以組成三個線圈，分布在6個槽中。由于這3個線圈要組成一對極，所以只能用一個線圈組成一個極線圈，另外2個線圈組成一個極線圈?？梢钥闯觯?組線圈相對均勻地分布在定子36個槽內(nèi)，相鄰兩組線圈分布在定子一半的槽內(nèi)，如果該組線圈通以直流電，則4組線圈會產(chǎn)生S,N,S,均勻排列的4個極。如下圖:圖9-10-28在一相線圈接線，采用分布繞組方法，同相線圈接線為:尾—尾，頭—頭。每相之間，電角度要120°，二個齒之間電角度為為此第二相的極要在第7個槽下線。圖9-10-29而C相線圈線圈應(yīng)該在第13槽下線，第7槽和第13槽之間相差120°。圖9-10-30霍爾元件可以在整個圓周上均布，成120°夾角即可。圖9-10-31如果霍爾元件要近一些，放成夾角為60°，即在從A相線圈起，相隔一槽的6個定子槽中心位置，放置三個霍爾元件即可。見下圖:圖9-10-329-10-6永磁直流無刷電機測試永磁直流無刷電機的測試和一般的永磁直流電機差不多，但是電機測試電源是經(jīng)過電機的電子換向線路后到無刷電機上的，因此在某種程度上電機和電子換向線路組成了無刷電機系統(tǒng)。有的無刷電機就把換向線路與電機做在一起，就成了機電一體化的無刷電機系統(tǒng)?，F(xiàn)在的自動門無刷電機就是這種結(jié)構(gòu)。見圖9-10-33因此，測試電機后，電機的電流是電機的工作電流和電子換向線路的損耗電流之和。我們可以看作，電子損耗電流是電機空載損耗的一部分。圖9-10-33以下這些無刷電機的機械特性的測試數(shù)據(jù)都是同行給作者的，作者沒有進行任何改動。1．這里是電動自行車無刷電機的實測試數(shù)據(jù):序號電壓(DCV)電流(A)輸入功率(W)力矩(N.m)轉(zhuǎn)速(rpm)輸出功率(W)效率%KT(N.m/A)0360.828.80341001366.05217.85.3730016877.11.02282367.1255.66296185.972.70.95233368.2295.27.48328722576.21.00543610.5381.610.33272294771.06453612.8460.813.65259370801.1375這是用吊重物的測試數(shù)據(jù)。2．這是無刷直流機的機械特性曲線:350W48V序號轉(zhuǎn)矩N.m轉(zhuǎn)速rpm電壓V電流A輸出功率W輸入功率W效率%力矩常數(shù)KT=N.m/A10.56374.048.771.1622.3256.4339.627.32331.047.486.28253.74298.2285.11.3235.08345.047.914.58183.54219.4583.61.32646.03339.047.725.30214.67253.0484.61.32156.94330.047.555.99242.02284.9684.91.3267.16332.047.516.16248.94292.6085.11.33278.02326.047.346.81273.8322.5484.91.3288.99320.047.167.55301.27356.0184.61.32910.08313.046.958.38330.41393.2984.01.411010.96308.046.789.04353.51423.1383.51.171111.90302.046.609.77376.99455.4482.81.3171212.18300.046.559.97382.66464.1482.41.319從的一致性看來看這些機械特性曲線還是還是測得非常準確的，僅個別測試點的測試有些偏差。這是在電動自行車電機的專用測試設(shè)備測的。3．這是外徑90的無刷電機機械特性實測數(shù)據(jù):U(V)I(A)T(N.m)n(r/min)Po(W)Pi(W)η(%)KT(N.m/A)241.5028920.0036.000.00243.80.2277458.0991.2063.700.0870245.20.3271685.32124.8068.360.08182480.52600136.13192.0070.900.0777249.60.632544167.82230.4072.840.07772411.80.82464206.41283.2072.880.07772414.412393250.58345.6072.500.077524171.22311290.39408.0071.170.0774從KT來分析，這個電機也是測量得比較正確的。9-10-7永磁直流無刷電機通電型式無刷電機的繞組常用的就是二種接法:三角形接法和星形接法。最常用的原理圖如下:圖9-10-34圖9-10-35現(xiàn)在我們分析圖9-10-34星形接法的電機導通情況。圖中通電的一瞬那必須有二個管子導通，每隔換相一次。這種常用的通電方式叫做二二通電方式。當時，導通情況如下:圖9-10-36當時，導通情況如下:圖9-10-37當時，導通情況如下:圖9-10-38當時，導通情況如下:圖9-10-39就這樣循環(huán)下去，完成一個周期的通電運行。9-10-7永磁直流無刷電機機械特性的關(guān)系分析和計算永磁無刷直流電機和永磁直流電機有些區(qū)別，電機的定子和交流異步電機的定子相差不多，轉(zhuǎn)子又和直流電機的定子原理差異不大，供電又類似交流電機供電，供電方式也各式各樣。因此作者還沒有看見介紹過整個無刷電機的機械特性曲線計算公式的書籍，求取電機的電機的空載點和負載點的計算公式非常復雜，但是電機千變?nèi)f化也不會偏離電機電磁關(guān)系的主要原理。是否可以把復雜的直流無刷電機的機械特性找出其規(guī)律，能夠抓住這種電機的內(nèi)在聯(lián)系，從而提高我們對無刷電機的本質(zhì)的認識。所以作者從新的角度出發(fā)來看無刷電機的機械特性的內(nèi)在關(guān)系。我們可以看到，從上面介紹的各種無刷電機測量，其計算電機的輸入功率都是視換向電路和電機聯(lián)在一起作為一個系統(tǒng)來考慮電機的效率的。而且換向系統(tǒng)僅起電子換向作用，在這種情況下，無刷電機就是把機械換向器成了電子換向器罷了。從另外的角度看，電機的性能和相關(guān)特性常數(shù)和永磁電機的非常相象，是否可以認為直流永磁無刷電機和直流永磁電機的機械特性曲線內(nèi)部的關(guān)系是否相同呢?是否可以用永磁直流電機的機械特性計算公式用于永磁直流無刷電機呢?如果這樣的話這對我們設(shè)計計算永磁無刷電機帶來了極大的方便。我們可以以90無刷電機的最大效率點數(shù)據(jù)，用第8章的的計算機械特性的方法和公式來推算出該出90無刷電機永磁無刷直流電機的整個機械特性，并作對比。U(V)I(A)T(N.m)n(r/min)Po(W)Pi(W)η(%)KT(N.m/A)241.5028920.0036.000.00243.80.2277458.0991.2063.700.0870245.20.3271685.32124.8068.360.08182480.52600136.13192.0070.900.0777249.60.632544167.82230.4072.840.07772411.80.82464206.41283.2072.880.07772414.412393250.58345.6072.500.077524171.22311290.39408.0071.170.0774上表是某廠家90永磁直流無刷電機實測數(shù)據(jù)。表上粗體黑字并有下劃線的點，作為電機的最大效率點，該點僅是最大效率點附近，設(shè)為最大效率點，這樣計算有些誤差，另外我把化為用的是10.19關(guān)系，計算還要受一點影響的。最大效率為0.7288最大效率點轉(zhuǎn)矩:0.8=8152最大效率點轉(zhuǎn)速:2464最大功率點電流:11.8計算整個機械特性曲線:電機的理想空載轉(zhuǎn)速：電機的空載轉(zhuǎn)速：電機的空載電流：電機的空載轉(zhuǎn)矩：電機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：電機的計算堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)：電機的電勢常數(shù)：電機的堵轉(zhuǎn)電流：電機的電樞電阻：電機的輸出功率：電機的輸入功率：電機任何點的轉(zhuǎn)速：我們?nèi)∪稳∫稽c的轉(zhuǎn)矩，如表上的0.5作為驗算其轉(zhuǎn)速和計算轉(zhuǎn)速的差別:相對誤差:相對誤差:我們?nèi)∪稳∫稽c的轉(zhuǎn)矩，如表上的1.2作為驗算其轉(zhuǎn)速和計算轉(zhuǎn)速的差別:相對誤差:相對誤差:以上計算其推算值和實測值的相對誤差僅是千分之幾，這個誤差包括了該點僅是最大效率附近的點，與最大效率點之間的誤差和電機測量該點的誤差等。從上面的計算和分析，我們可以這樣認為::永磁無刷直流電機和永磁直流電機的機械特性曲線的內(nèi)在關(guān)系是相同的。因此我們用本書推導出的永磁直流電機的機械特性關(guān)系公式來計算永磁直流無刷電機是完全可行的。這樣只要知道無刷電機的相關(guān)的幾個量，我們就可以用本書介紹的方法把整個無刷電機的機械特性曲線很方便的計算出來，這也是非常高興的事。9-10-8永磁直流無刷電機機械特性力矩常數(shù)因為有上面的介紹后，我們可以這樣認為，無刷電機的力矩常數(shù)計算公式為:公式，是電機通電工作時的通電電流的線圈有效匝數(shù)。是電機通電繞組的總工作磁通。這里我們要知道，無刷電機和永磁直流電機畢竟是不同的兩種電機，性能上可以等同，但無刷電機的實際線圈導體數(shù)并不是力矩常數(shù)中的有效匝數(shù)。無刷電機的不管是星形接法或三角形接法，不管無刷電機的分配器的分配形式是二二通電方式或三三通電方式，每相導體數(shù)都可以一一對應(yīng)不同的有效匝數(shù)。就是說，當電機通電形式確定后，無刷電機的每相繞組根數(shù)只要乘上無刷電機匝數(shù)系數(shù),那么電機的有效根數(shù)就可以求出，無刷電機有效根數(shù)系數(shù)無刷電機每相根數(shù)這樣以后的。設(shè)計計算就可以和永磁直流電機一樣設(shè)計計算了。作者認為這也是一種實用的設(shè)計思路。9-10-9永磁直流無刷電機機械特性電勢常數(shù)永磁直流無刷電機機械特性電勢常數(shù)和永磁直流電機一樣:這個推導已經(jīng)在本書第一章闡述了，這里不再作證明。實際上，當電機的最大效率從0.65~0.85時的值接近于1:0.650.96240.70.97330.80.98880.850.9939一般電機的最大效率在0.7~0.85之內(nèi)，所以以上公式可以近似:從我們的另外一個思路看:一個電機的工作是電壓確定的，如果電機的空載轉(zhuǎn)速確定后，電機的基本上就是:或者這個電機的最大效率大概知道的話，這個電機的可以很精確的確定:從公式1-22看，所以:如果要求精確一些的話:這個公式的從電勢常數(shù)角度求出電機有效導體數(shù)的實用公式，9-10-9永磁直流無刷電機電機匝數(shù)的求取分析無刷電機的力矩常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù):我們可以知道這兩個系數(shù)主要是和和的乘積，即磁鏈相關(guān)，磁通是電機有效匝數(shù)的交鏈的工作磁通，這是毫無疑問的。這個磁通是可以計算和測量出來。因為線圈都是繞在無刷電機的定子上的，所以作者認為計算電機的工作磁通必須計算無刷電機的齒磁通。電樞一個齒的磁通::電樞齒寬:電樞沖片磁密:電樞沖片迭厚 :電樞沖片迭壓系數(shù)如果無刷電機的線圈繞在個極上，那么這個線圈的工作磁通就是:現(xiàn)在，我們要分析同一個磁通下作用的線圈的確定。圖9-10-40上圖的兩種方法產(chǎn)生的效果是一樣的，因此在一個無刷電機的定子線圈的接法關(guān)于到計算繞組有效根數(shù)的問題。如果繞組都接成同一個極性的，那么每個線圈就認為是一對極的線圈，如果繞組接成兩兩相反的極性的話，那么兩個相反極性的線圈就認為是一對極的線圈。圖9-10-41圖9-10-41中的1和4是一相繞組，它們的接法都是產(chǎn)生同一個極性的，那么一相繞組有2對極，如果每個極繞55匝，那么該對極的磁通交鏈線圈就是55匝。如果它們聯(lián)接成不同極性，那么一相繞組有1對極，那么該對極的磁通交鏈線圈就是255匝。但每相總匝數(shù)仍是255匝。這個問題在永磁直流電機中是不會發(fā)生的。從以上分析，可以知道，如果確定電機的有效磁通的交鏈線圈齒的齒磁通，那么就是說，無刷電機的工作磁通就是的交鏈線圈齒的齒磁通。在永磁直流電機設(shè)計中電機的工作磁通是這樣判定的，如果線圈交鏈的齒所對應(yīng)的磁鋼不能夠使齒飽和，則線圈的工作磁通就是該線圈交鏈齒所對應(yīng)范圍的磁鋼的磁通，如果線圈交鏈的齒所對應(yīng)的磁鋼完全使齒飽和，那么線圈的工作磁通就是所包圍齒的飽和磁通。這種判斷使求取電機的工作磁通比較簡單和直觀:1:電機的有效工作磁通的通過電機工作線圈所交鏈的齒的齒磁通。2:電機的齒磁通的計算看磁鋼的否對齒飽和與否，如果不飽和，則線圈的工作磁通基本上就是齒所對應(yīng)面積的磁鋼磁通，如果齒的磁通飽和了。則線圈的工作磁通就是齒的飽和磁通。這樣計算非常方便。這樣在計算電機的工作磁通是看工作線圈，再看線圈交鏈的齒，再看選擇的磁鋼對線圈交鏈的齒的磁通的飽和程度。最后求出線圈的工作磁通。現(xiàn)在分析一下，永磁直流無刷電機的每相線圈如何通電的。如果我們分析三角形接法的二二通電形式，即三相六狀態(tài)導通情況。如果三相繞組分別冠以A,B,C相名稱，那么它們在360°的通電時間內(nèi)的順序為:A-B-C-A-B-C，每60°僅一相通電。加在一相上的電壓是全電壓。而星形接法的三相六狀態(tài)導通情況，那么它們在360°的通電時間內(nèi)的順序為:AB-AC-BC-BA-CA-CB，每60°二相通電。加在二相上的電壓是全電壓。在封閉式與橋式電子換向線路相組合，其特點是在所有磁狀態(tài)下，電樞繞組全部通電，僅是各相通電順序和電流流過的方向不同。在任一磁狀態(tài)中，總是二相串聯(lián)后再與另一相并聯(lián)工作的，這是另一種三角形無刷電機的換向分配形式。也就是說，三角形接法的電機，每個時間段只有一相通電，產(chǎn)生一相磁極，按上面的圖分析，每個時間段，電機定子產(chǎn)生二對極的四個均勻電極，在下面的時間段電機線圈的另一相產(chǎn)生相隔了60°二對極的四個均勻電極，依次下去，這樣就產(chǎn)生了一個均勻的旋轉(zhuǎn)磁場。而星形接法，每個時間段有二相通電，產(chǎn)生二相磁極，按上面的圖分析，每個時間段，電機定子產(chǎn)生四對極的八個均勻電極，在下面的時間段電機線圈的另一相產(chǎn)生相隔60°四對極的八個均勻電極，依次下去，這樣就產(chǎn)生了一個均勻的旋轉(zhuǎn)磁場。圖9-10-42圖9-10-42中的左圖是圖9-10-41的無刷電機定子的三角形接法的電機，定子通電時的轉(zhuǎn)子磁鋼與通電線圈之間關(guān)系，這時磁鋼的夾角大于線圈的夾角，因此通電線圈齒的磁鋼磁通就是工作磁通。三角形接法的有效匝數(shù)就是單相線圈繞組的匝數(shù)。而星形接法的磁鋼夾角小于兩個線圈的夾角，因此磁鋼的磁通就是工作磁通。為了認識方便一些，在這種情況下，工作磁通等于:星形接法的有效繞組就是二相繞組的匝數(shù)之和。因此電機的匝數(shù)和磁通要根據(jù)電機的繞組接法，電機的轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀和二者之間真正交鏈的情況有極大的關(guān)系的。所以無刷永磁直流電機的基本設(shè)計計算是可以進行框算的，但是這是建立在換向線路輸出的電壓是脈沖直流，僅是替代直流電機的換向器罷了。其它形式的控制線路的電機設(shè)計可以參看無刷直流電動機的各種專著。但是這種形式是最基本的，它是可以按照永磁直流電機最簡單的方式和原理進行各種電機主要尺寸和性能計算。電機繞線形式:圖9-10-43可見這個電機不是獨立繞組，一組線圈繞在3個齒上。每相4對極，因此每相8個線圈，電機線圈與與磁鋼相對位置:二相線圈重合了一個齒。圖9-10-44，因此有效繞組為二相繞組數(shù)。對于一相繞組有三個齒極，二相繞組的工作磁通原應(yīng)有6個齒的磁通，現(xiàn)在兩組線圈僅包圍了5個齒，所以二相的工作磁通為的兩個極的磁通。圖9-10-449-10-9永磁直流無刷電機設(shè)計方法概要從上面幾節(jié)分析看，無刷電機的機械性能和永磁直流電機相同，因此作者提出用如下觀點來解決永磁無刷電機的設(shè)計問題:無刷電機和電子換向部分可以認為是電機的一個整體，無刷電機僅是用電子換向的永磁直流電機，其電機機械特性曲線和曲線內(nèi)在關(guān)系性能和永磁直流電機完全相同。由于無刷電機每相通電關(guān)系在區(qū)域工作時間段是相對固定的，這和交流電機單相和三相交變磁場有著根本的區(qū)別，為此可以把無刷電機的定子工作狀態(tài)和永磁直流電機等同起來。和永磁直流電機一樣，不要去分析相鄰兩個線圈之間的機械角度不同所產(chǎn)生的力矩的不同問題，只要用計算電機的基本電磁公式計算電機的磁場，電流和力矩之間的關(guān)系即可。永磁直流電機的力矩常數(shù)和電勢常數(shù)的概念和永磁無刷電機中是一致的，功能相同，可以代表和分析無刷直流電機的機械特性曲線。無刷電機的力矩常數(shù)中的是電機的有效導體數(shù)，是電機的有效工作磁通。它們是決定無刷電機機械特性的重要量。電機的有效工作磁通和無刷電機的轉(zhuǎn)子磁通，齒磁通有著可以推算和分析的聯(lián)系，電機的有效導體數(shù)和電機定子每相導體數(shù)也有著一定的關(guān)系分析和計算出無刷電機的工作磁通后，就可以根據(jù)電機的力矩常數(shù)的公式，求出電機有效導體數(shù)，從而求出無刷電機的每相匝數(shù)。實際上，無刷電機的設(shè)計和永磁直流電機基本相同，不同的是因為無刷電機的定子繞組的繞組形式變化多一些，復雜一些，實際繞組和有效繞組之間有一定的比例關(guān)系，必須考慮電機的接線形式，通電形式線圈和磁鋼之間的相互關(guān)系，線圈的等效匝數(shù)，電機的工作磁通的確定等等問題，。無刷電機的工作磁通比永磁直流電機工作磁通分析也要復雜一些。可以比較直觀方便解決的。設(shè)計舉例:例1:已知:電壓24V要求額定力矩:，額定轉(zhuǎn)速:2464，額定電流11.8A定子18槽，，轉(zhuǎn)子2對極釹鐵硼燒結(jié)磁鋼換算:初估:該電機的最大效率在0.7~0.8左右，0.650.96240.70.97330.80.98880.850.9939取,0.7434計算電機的主要機械特性曲線的數(shù)值:0.5，Model聯(lián)結(jié)方式Lef線徑匝數(shù)并繞根數(shù)DateR(ohm)90ZWS01Y340.455190.088U(V)I(A)T(N.m)n(r/min)Po(W)Pi(W)η(%)KT(N.m/A)241.5028920.0036.000.00243.80.2277458.0991.2063.700.0870245.20.3271685.32124.8068.360.08182480.52600136.13192.0070.900.0777249.60.632544167.82230.4072.840.07772411.80.82464206.41283.2072.880.07772414.412393250.58345.6072.500.077524171.22311290.39408.0071.170.0774以上說明，選用效率相對誤差為0.02,則額定轉(zhuǎn)速的計算誤差僅左右。2．選取現(xiàn)成沖片:圖9-10-453．選用二對極轉(zhuǎn)子，在無刷電機中轉(zhuǎn)子取用燒結(jié)釹鐵鐵硼，因此如果定子沖片用DW370-50的話，齒磁密基本是飽和的,估計在24500(G)左右.4．畫出沖片和轉(zhuǎn)子磁鋼的相對位置:圖9-10-465．無刷電機定子選用星形接法，換向線路形式為三相六狀態(tài)導通:圖9-10-47每60°通電時間有相鄰兩相導通:通電時間內(nèi)的順序為:AB-AC-BC-BA-CA-CB－定子接線圖見:圖9-10-48這是每相8個線圈，頭－頭，尾－尾，形成S－N－S－N－,極性。線圈形成4對極。6．分析線圈和磁鋼關(guān)系圖9-10-49對于一相繞組有三個齒極，二相繞組的工作磁通原應(yīng)有6個齒的磁通，現(xiàn)在兩組線圈僅包圍了5個齒，所以二相的工作磁通為的兩個極的磁通。二相繞組共有一個齒，一個線圈使這個齒產(chǎn)生飽和磁通后，另外一個