永磁无刷直流电机的设计
摘要：永磁无刷直流电机是一种新型电机，其特点是不需要传统的机械电刷，因此在家用电器等领域得到广泛运用。其简单结构、高可靠性和高效率使其备受青睐。
关键词：永磁无刷直流电机；设计
虽然其工作原理与传统的电磁式直流电机相似，但借助高性能的永磁材料和电子控制技术，这种电机在单位体积内能提供较高的转矩，同时转矩惯性比较小，启动时的转矩也很大，此外，其调速特性也相当优越。因此，在家用电器领域，永磁无刷直流电机得以广泛应用。
1.永磁无刷直流电机的主要特点和应用
1.1永磁无刷直流电机的主要特点
(1) 由于无电火花和磨损问题，永磁无刷直流电机拥有卓越的工作寿命和高度可靠性。
(2) 其低转动惯量和高转矩惯量比使其具有出色的响应速度。
(3) 通过永磁体产生的气隙磁场，使得电机的效率和功率因数保持在高水平，且发热主要分布在定子上，便于热量散发。
(4) 虽然与有刷直流电机相比略微成本较高，但与异步电机相比，其控制性能卓越。
1.2永磁无刷直流电机的主要应用
目前，不断扩大的市场需求迅速推动了永磁无刷直流电机的蓬勃发展。自上世纪90年代起，随着科技的不断进步，永磁材料的性能得到了显著提升。尤其以钕铁硼等第三代永磁材料为代表，不仅在耐腐蚀性方面有了巨大突破，其在高温环境下的稳定性也得到了
显著提升，同时生产成本也在逐步降低。许多高校和制造单位都在永磁无刷直流电机的研发中投入了大量资源，为其发展注入了新的活力。永磁无刷直流电机的功率范围广泛，从毫瓦级到数十千瓦级不等，为用户提供了多样的选择。
2.无刷直流电机的结构及工作原理
2.1无刷直流电机的基本结构
无刷直流电机的基本组成结构包括电机本体、转子位置传感器和电子换相电路，具体如图2.1所示。
图2.1永磁无刷直流电机系统的组成结构示意图
无刷直流电机的结构类似于永磁同步电机，其核心部分是电机本体，是实现机电能量转换的核心。因此，其设计在确保整个系统可靠运行方面具有关键性作用。为了代替传统的机械换相，位置传感器用来监测转子磁极的位置。传感器输出的位置信号会经过逻辑单元处理，产生相应的开关信号。这些开关信号触发驱动控制电路中的功率开关元件，将直流电能转化为机械能，从而产生输出转矩，实现电机的可靠运行。
2.2无刷直流电机的工作原理
在永磁无刷直流电动机的控制拓扑中，最常见且广泛应用的是星形三相半桥式和星形三相桥式。三相全桥驱动方式以其高效率和卓越性能而著称，每相的通电时间占据2/3个周期。相比之下，三相半控电路采用三相半桥，虽然结构简单，但电流仅能单向流动，每个绕组只在1/3周期内通电，导致电能利用率较低、电流断续时间长、电流波动明显，从而造成转矩波动较大。相对于三相半桥，三相全控电路具有双向电流流动的特点，每相的通电时间占据2/3周期，电流断续时间短，从而转矩脉动较小，实现高效率运行。因此，常常选择三相全控电路来驱动永磁无刷直流电机。然而，三相全控方式又分为二二导通和三三导通两种，两者都在每个周期内换相6次。在二二导通情况下，每一瞬间有两个开关管导通，每个管导通120°电角度。而在三三导通情况下，每一瞬间都有三个开关管导通，每个管导通180°电角度。
图2.2 三相半桥结构
图2.3三相全桥结构
在二二导通模式下，每个周期内单相绕组导通120度。在永磁无刷直流电机中，始终有一个相绕组处于未导通状态，而其他两个相绕组则在经过PWM斩波控制后以高频率进行切换操作。通过按照特定的导通顺序（如T1T6、T1T2、T3T2、T3T4、T5T4、T5T6等）来操作，可以产生旋转磁场，从而使转子连续顺时针旋转。如果导通顺序颠倒，转子则会逆时针旋转。这种导通顺序通常按照以下六个步骤进行：首先是A相和B相，接着是A相和C相，然后是B相和C相。这个导通顺序会循环重复，因此也被称为六步导通法，如图2.3所示。
在六步法状态运行下，永磁无刷直流电机理想的反电势波形及开关管的开通状态如图2.4所示。
图2.4反电势波形图
3.永磁无刷直流电机的设计
3.1电机的基本参数
运用绿色额定电压310Ｖ，额定转矩0.3Ｎ·ｍ，额定转速1000ｒ/min，工作温度范围－55℃－70℃，采用闭环转速控制。
3.2永磁磁极材料的选取
永磁无刷直流电机的关键材料包括铁氧体注塑磁石、铁氧体烧结磁石和钕铁硼磁石，这是三种常用的材料。在这些材料中，钕铁硼磁石拥有最强的磁性，其剩余磁感应强度可达1.4T。当需要高功率密度时，通常选择钕铁硼磁石，但需要注意的是，钕铁硼的最高工作温度为110℃，因此在高温环境下应谨慎使用。从机械性能角度来看，钕铁硼材料更容易进行切割、钻孔以及复杂形状的加工。然而，由于其中含有钕和铁元素，它们容易受到粉化和腐蚀，导致化学稳定性较差。为了减缓氧化速度，常常在钕铁硼磁石的表面涂覆约
10～40μm的环氧树脂层，以隔离外界空气的影响。另一种方法是采用电泳或电镀处理，不同的镀层会带来不同的抗腐蚀性能。
3.3定子铁芯材料的选取
在永磁无刷直流电机中，定子铁芯充当导磁体，因此选择软磁材料作为其材料。软磁材料具有磁导率高、矫顽力小、容易被磁化等特点，通常其矫顽磁力小于几百安匝每米。为了减少能量损失，对软磁材料有一些要求，例如磁阻小、饱和磁通密度高、剩磁小、电阻率大、磁性能稳定、高居里温度以及良好的机加工性能。因此，定子铁芯的选择需要考虑这些特性，以保障永磁无刷直流电机的高效运行和低能量损耗。
4.永磁无刷直流电机仿真模型的建立
4.1建立电机几何模型
创新的过程包括对设计计算和实际应用情况的综合思考，以制定电机的电磁设计方案。基于电机的参数设定（电压310V、额定转矩0.3N·m、额定转速1000r/min）以及几何尺寸（内径16mm、外径92mm、长度41mm），在选择永磁材料时，可以考虑铁氧体或钕铁硼等选项。同时，定子铁芯可以由厚度为0.35mm的硅钢片叠压而成，以平衡工艺性能和叠压效果。此外，电机的设计还需考虑具体的槽数（12槽）以及极对数（4对极）。这些因素综合考虑，将有助于形成一个优化的电机设计方案。
4.2网格划分
网格剖分的原则是，在气隙和齿部需要更密集的剖分，而在轭部以及定子和转子铁芯部分则需要较疏的剖分。本文中采用了最大的剖分单元长度为1mm。
4.3设定求解选项及运动区域
在进行二维瞬态分析时，需要在模型窗口中设定适当的运动选项。在此过程中，应选择模型中包含转子的Band面，以便进行运动类型、数据信息和机械信息等参数的设置。设定的参数包括终止时间（0.1秒）、求解步长（0.0002秒）以及场信息保存时间（0.1秒）。一旦完成这些设置，应进行自检以确保设置无误，随后可进行求解和后处理步骤。
5.结语
在本文中，首先对永磁无刷直流电机的显著特点和广泛应用进行了深入分析。接着，探讨了无刷直流电机的结构及其工作原理，为后续内容奠定了基础。随后，对永磁无刷直流电机的设计进行了详细探讨，着重考虑了各个方面的因素。
1 绪论 无刷直流电机[1]（Brushless DC Motor ,简称BLDCM）用电子换相取代了直流电机的机械换相，把永磁材料做成转子，省去了电刷，因而它具有很强的生命力。无刷直流电机的驱动电路能比较容易的获得方波，反馈装置简单，功率密度高，输出转矩大，控制结构简单，使得BLDCM的应用比直流电机要广泛得多。 1.1 课题研究目的与意义 一个世纪以来，电机作为机电能量转换装置，其应用已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。众所周知，直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但是传统的直流电机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来噪声、电火花、无线电千扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多数采用三相异步电机。无刷直流电机既具备传统直流电机运行效率高、调速性能好、无励磁损耗的优点，又具有结构简单、运行可靠、维护方便等独特的优势，特别是与传统直流电机相比，无刷直流电机不采用电刷进行换相，因而不存在机械换相带来的诸多缺点，故在许多高科技领域中应用越来越广泛。 在军事装备领域，使用无刷直流电机能更好地满足快响应、高精度的要求。对常规武器如雷达的天线控制系统、高射武器的自动跟踪系统等，这些随动系统必须具备很高的角速度、角加速度和很高的跟踪精度，快速跟踪和准确定位是两个重要的技术指标，其控制器的好坏直接影响着装备战术技术性能，因此，如何使随动系统具有稳定性好、可靠性高、响应速度快、跟踪精度高等特点成为研究随动系统的关键。近十年来，用高新技术武装的各种新型武器如战术导弹、隐形飞机、武装直升机等空中武器不断涌现，其目标识别能力、隐蔽程度、目标命中精度均大大提高，这给武器随动系统提出了新的要求。在民用领域，随着现代电力电子技术、传感器技术、精密机械技术、自动控制技术以及人工智能技术等高新技术的发展，对电动机的要求从过去简单的提供动力发展到精确控制，从而促进了电动机与电子产品紧密结合的机电一体化产品的发展，如激光加工、机器人、数控机床、柔性制造系统等。在这些高科技领域中，无刷直流电机作为当今效率
永磁无刷直流电机设计实例 永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDC）是一种形式先进的电机，具有高效率、长寿命、高功率密度、高控制精度等优点，已广泛应用于机床、机器人、电动工具等 领域。在本文中，我们将介绍永磁无刷直流电机的设计实例。 1. 电机参数计算 在进行永磁无刷直流电机设计之前，首先需要计算出电机的一些参数，包括额定功率、额定转速、额定电压、额定电流等。这些参数将作为电机设计的基础。 1.1 标称功率 Pn = Tmax × ωn Pn 为电机标称功率，Tmax 为电机最大扭矩，ωn 为电机额定转速。 1.2 额定转速 永磁无刷直流电机的额定转速通常由应用需求决定。对于电动工具来说，需要较高的 额定转速，而对于机床来说，需要较低的额定转速。通常情况下，可以根据应用的要求来 选择适当的额定转速。 永磁无刷直流电机的额定电压通常由电源系统决定。通常情况下，可以选择电压稳定 器或直流电源来提供稳定的电压。根据实际需求和电源系统的限制，可以确定电机的额定 电压。 2. 永磁体设计 永磁体是永磁无刷直流电机中最重要的组件之一，其设计将直接影响电机的性能。永 磁体的设计包括永磁体的形状、尺寸以及选用的材料。 2.1 形状与尺寸 永磁体的形状和尺寸对电机的输出特性有着重要的影响。通常情况下，可以选择方形、圆形、椭圆形等形状，并根据电机设计参数计算出永磁体的尺寸。 2.2 材料选择 永磁体选用的材料决定了电机的性能。目前常用的永磁体材料有 NdFeB、SmCo、AlNiCo 等。不同的永磁体材料具有不同的磁性能、机械性能和耐温性能，应根据实际应 用需求进行选择。
永磁无刷直流电机的设计 摘要：永磁无刷直流电机是一种新型电机，其特点是不需要传统的机械电刷，因此在家用电器等领域得到广泛运用。其简单结构、高可靠性和高效率使其备受青睐。 关键词：永磁无刷直流电机；设计 虽然其工作原理与传统的电磁式直流电机相似，但借助高性能的永磁材料和电子控制技术，这种电机在单位体积内能提供较高的转矩，同时转矩惯性比较小，启动时的转矩也很大，此外，其调速特性也相当优越。因此，在家用电器领域，永磁无刷直流电机得以广泛应用。 1.永磁无刷直流电机的主要特点和应用 1.1永磁无刷直流电机的主要特点 (1) 由于无电火花和磨损问题，永磁无刷直流电机拥有卓越的工作寿命和高度可靠性。 (2) 其低转动惯量和高转矩惯量比使其具有出色的响应速度。 (3) 通过永磁体产生的气隙磁场，使得电机的效率和功率因数保持在高水平，且发热主要分布在定子上，便于热量散发。 (4) 虽然与有刷直流电机相比略微成本较高，但与异步电机相比，其控制性能卓越。 1.2永磁无刷直流电机的主要应用 目前，不断扩大的市场需求迅速推动了永磁无刷直流电机的蓬勃发展。自上世纪90年代起，随着科技的不断进步，永磁材料的性能得到了显著提升。尤其以钕铁硼等第三代永磁材料为代表，不仅在耐腐蚀性方面有了巨大突破，其在高温环境下的稳定性也得到了
显著提升，同时生产成本也在逐步降低。许多高校和制造单位都在永磁无刷直流电机的研发中投入了大量资源，为其发展注入了新的活力。永磁无刷直流电机的功率范围广泛，从毫瓦级到数十千瓦级不等，为用户提供了多样的选择。 2.无刷直流电机的结构及工作原理 2.1无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机的基本组成结构包括电机本体、转子位置传感器和电子换相电路，具体如图2.1所示。 图2.1永磁无刷直流电机系统的组成结构示意图 无刷直流电机的结构类似于永磁同步电机，其核心部分是电机本体，是实现机电能量转换的核心。因此，其设计在确保整个系统可靠运行方面具有关键性作用。为了代替传统的机械换相，位置传感器用来监测转子磁极的位置。传感器输出的位置信号会经过逻辑单元处理，产生相应的开关信号。这些开关信号触发驱动控制电路中的功率开关元件，将直流电能转化为机械能，从而产生输出转矩，实现电机的可靠运行。 2.2无刷直流电机的工作原理
无刷直流永磁电动机的原理和设计 无刷直流永磁电动机是一种将电能转化为机械能的装置，它采用了无刷技术和永磁材料，具有高效率、高功率密度和可靠性高等优点。本文将详细介绍无刷直流永磁电动机的工作原理和设计要点。 无刷直流永磁电动机的工作原理主要包括电磁场产生、电流调节和转矩产生三个方面。首先，通过电流调节器向无刷直流永磁电动机的定子绕组输入电流，产生定子磁场。接着，通过永磁体在转子上产生磁场，与定子磁场相互作用，产生转子磁场。最后，通过转子磁场和定子绕组之间的相互作用，产生电磁转矩，驱动转子旋转。 设计无刷直流永磁电动机时，需要考虑多个因素。首先是功率需求，根据所需的功率大小选择合适的电机型号和规格。其次是电压和电流需求，根据电源的电压和电流限制选择合适的电机参数。还需要考虑转速范围和转矩要求，根据具体应用场景确定电机的转速和转矩特性。此外，还需要考虑电机的体积、重量和成本等因素。 在无刷直流永磁电动机的设计中，关键的技术是永磁材料的选择和磁路设计。永磁材料的选择要考虑其磁能积、矫顽力、矫顽力系数等参数，以及温度稳定性和成本等因素。磁路设计要保证磁场的均匀性和稳定性，提高电机的效率和输出功率。 无刷直流永磁电动机还需要配备电流调节器和位置传感器等辅助设备。电流调节器可以实现对电机电流的精确控制，保证电机的稳定
运行。位置传感器可以实时监测电机转子的位置和转速，提供给电流调节器进行反馈控制。 无刷直流永磁电动机具有多种应用领域。在工业领域，它广泛应用于机床、印刷设备、纺织设备等需要精确控制的设备中。在交通领域，它被用作电动汽车的驱动系统，具有高效率和长续航里程的优势。在家电领域，它被应用于洗衣机、冰箱等家电产品中，提供高效、静音的驱动能力。 无刷直流永磁电动机是一种高效、高功率密度和可靠性高的电机，具有广泛的应用前景。在设计无刷直流永磁电动机时，需要考虑功率需求、电压和电流需求、转速范围和转矩要求等因素。通过合理选择永磁材料和进行优化的磁路设计，可以提高电机的效率和输出功率。无刷直流永磁电动机在工业、交通和家电等领域的应用将会越来越广泛。
无刷直流电动机的设计 无刷直流电动机（BLDC）是一种基于电子换向器和磁传感器的新型电机，具有高效率、高功率密度、高可靠性、无摩擦等优点，广泛应用于工业、农业、家电和汽车等领域。本文将介绍无刷直流电动机的设计原理、 设计流程和一些关键技术。 一、设计原理 无刷直流电动机的工作原理是利用永磁体和电流产生的磁场相互作用，从而产生转矩。它的转子由一个或多个永磁体组成，通过电流换向器控制 电流的方向，从而实现转子的旋转。无刷直流电动机通常采用三相设计， 每相之间的换向角为120度。 二、设计流程 1.确定电机的额定功率和转速。 根据设计要求，确定电机的额定功率和转速。这些参数将决定电机的 尺寸、材料和冷却方式等。 2.选择永磁材料和磁路设计。 根据电机的运行环境和功率需求，选择合适的永磁材料。同时，设计 磁路以确保磁通密度的均匀分布和最小的磁路损耗。 3.设计定子绕组和绝缘系统。 根据电机的功率和电压要求，设计定子绕组。同时，设计合适的绝缘 系统以确保电机的安全性和可靠性。 4.确定电流换向器的拓扑和控制策略。
选择合适的电流换向器拓扑（如半桥、全桥等）以及控制策略（如PWM控制、电流环控制等），以实现电机的换向操作。 5.进行磁场分析和电磁设计。 通过磁场分析软件，进行电磁设计。通过磁场分析，可以得到电机的 特性曲线、转矩和功率密度等指标。 6.进行结构设计和热分析。 根据电机的尺寸和电机的工作环境，进行结构设计和热分析。结构设 计要考虑机械强度、制造成本等因素，热分析要考虑散热方式和绝缘系统。 7.制造和测试。 根据设计图纸进行电机的制造。制造完成后，进行测试，通过测试结 果对电机的设计进行修正和优化。 三、关键技术 1.电磁设计技术。 电磁设计是无刷直流电动机设计的核心技术，它涉及到永磁体选材、 磁路参数计算、磁场分析等方面。 2.电流换向器设计技术。 电流换向器是控制无刷直流电动机运行的关键部件，它的设计直接影 响到电机的性能。目前常用的换向器有半桥、全桥等拓扑，选择合适的拓 扑和控制策略对电机的效率和稳定性有重要影响。 3.热分析和散热技术。 4.制造技术。
永磁直流无刷电机实用设计及应用技术 1. 引言 1.1 概述 随着科技的不断发展，无刷电机在各个领域的应用越来越广泛。其中，永磁直流无刷电机作为一种重要的驱动装置，在电动汽车、工业自动化设备和家用电器等领域中扮演着重要角色。本文将对永磁直流无刷电机进行实用设计及应用技术的全面探讨，旨在帮助读者更好地理解并应用该技术。 1.2 文章结构 本文分为五个主要部分：引言、永磁直流无刷电机的原理和特点、实用设计技术、应用案例分析以及结论与展望。通过这些内容，我们将全面介绍永磁直流无刷电机及其相关技术的基本原理、实际应用过程中需要考虑的设计参数，以及一些常见的应用案例。最后，我们将总结研究成果，并探讨未来该领域的发展趋势和前景。 1.3 目的 本文的主要目的是介绍永磁直流无刷电机实用设计及其应用技术，从而使读者能够了解和掌握这一重要领域的知识。通过深入研究各种设计和优化技术，我们可以更好地理解电动汽车、工业自动化设备和家用电器等领域中永磁直流无刷电机
的应用，并为实际工程设计提供参考和指导。同时，本文也旨在为未来的研究和创新提供一定的启示，并展望该领域的发展趋势。 2. 永磁直流无刷电机的原理和特点: 2.1 原理介绍: 永磁直流无刷电机是一种利用永磁体产生磁场，通过电子器件控制换相的电机。其工作原理基于法拉第感应定律和洛伦兹力定律。在该电机中，通过转子上的永磁体所产生的磁场与由驱动器产生的旋转磁场进行交互作用，从而实现电机运转。 2.2 特点分析: 永磁直流无刷电机具有以下几个特点： (1)高效率：相比传统直流有刷电机，无刷电机采用固态换向器件，减少了刷子摩擦损耗和碳粉污染等问题，因此具有较高的效率。 (2)低维护成本：无刷电机没有刷子和换向环境等易损部件，从而降低了维护成本，并延长了使用寿命。 (3)快速响应能力：无刷电机具有较高的动态响应能力，并且可以通过调整驱动器参数来实现不同的控制策略，以满足不同工况下的要求。
直流无刷电机驱动电路设计 提纲： 一、直流无刷电机驱动电路的基础原理及设计要点分析 二、直流无刷电机驱动电路的设计方法及其优缺点探讨 三、直流无刷电机驱动电路中的功率因素控制技术研究 四、直流无刷电机驱动电路的实际应用案例分析 五、直流无刷电机驱动电路的未来发展方向预测 一、直流无刷电机驱动电路的基础原理及设计要点分析 直流无刷电机驱动电路的主要原理基于于磁场相互作用的电动力学基本规律，即当电流经过线圈时，可激发磁场，从而推动马达的转动。基本的驱动电路由电源、电机控制器和无刷直流电动机组成。在电机控制器中，通常采用功率半导体器件（IGBT、MOSFET等）作为开关元件，通过PWM、SPWM 等调制方式将电机的速度、扭矩控制在合理的范围内，从而实现直流无刷电动机的转速调控。在电路设计中，应优先考虑功率半导体元件的选择、功率因素的控制、电流保护等方面。 二、直流无刷电机驱动电路的设计方法及其优缺点探讨 直流无刷电机驱动电路的设计根据不同的应用场景和工作特点
采用不同的控制方法。目前常见的方法包括四种： 1. 电压调制（V/F）控制方法：调节电机控制器输出的交流电压和频率，来控制电机的转速和扭矩。 2. 电流控制方法：通过控制电机控制器中的感应电流、换向电流等来控制电机转速和扭矩。 3. 磁场定向控制方法：通过调节电机控制器中所激励的电流方向和大小来控制磁场的方向和大小，进而控制电机的转速和扭矩。 4. 磁场反转控制方法：通过调节电机控制器中的电流，将电机磁场相反转，从而达到正反转换和调速的目的。 不同的控制方法各具优缺点，应根据实际应用需求选择适当的控制策略。 三、直流无刷电机驱动电路中的功率因素控制技术研究 在直流无刷电机驱动电路实际应用中，由于诸多因素影响，在实际运行中往往存在较大的滞后现象，导致功率因素较低，从而降低了电路效率、增加了电能消耗。针对这一问题，可以采用计算机数值控制技术、电容电感等附加校正芯片、电流同步控制器等手段来进一步提高电路功率因素，从而进一步提高电路效率和稳定性。 四、直流无刷电机驱动电路的实际应用案例分析
轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机设计 曹永娟;黄允凯;金龙 【摘要】为了提高轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机设计的准确性,提出了利用电磁场有限元软件与磁路法相结合的方法设计该电机.结合轴向磁场无铁心永磁无刷直流电机的电磁结构特点,首先利用磁路法推导了该电机的尺寸设计方程,分析了电机设计中的各种损耗,并根据流程图编制了设计程序,对额定功率为40 W的小型电机提出了设计方案.利用三维有限元分析软件对设计方案中的关键参数(永磁体厚度、极对数与极弧系数)进行了仿真与分析.结果表明:当永磁体厚度为6mm,永磁体极对数为4时,电机气隙磁密相对最大且磁密增长率较快；当极弧系数为0.7时,感应电动势基波幅值最大.最后设计了样机,利用三维有限元分析方法验证了样机设计的有效性.%In order to improve the design exactness, the design of an axial-flux coreless permanent magnet brushless dc motor based on both finite-element analysis (FEA) and the magnetic circuit method is presented. Considering the characteristics of the axial-flux coreless permanent magnet brushless dc motor, the basic dimension design equations are derived based on the magnetic circuit method. The losses of the motor are analyzed. Based on the design flowchart, a computer-aided design (CAD) procedure for the motor is presented. The motor of rating 40 W is designed using the developed program. Three-dimensional FEA is carried out to optimize the key design parameters, including the height, the pole number and the pole arc coefficient of permanent magnets (PMs). The results indicate that when the height of PMs is 6 mm and the pole number is 4, the air gap flux density is relatively large and has a rapid growth.
洗衣机用永磁无刷直流电机设计的研究 摘要：本文主要研究洗衣机中使用永磁无刷直流电机的设计。首先介绍了传 统洗衣机中使用的电机结构及其存在的问题，然后详细讨论了永磁无刷直流电机 的工作原理和优势。接着提出了基于永磁无刷直流电机的洗衣机设计方案，并通 过实验验证了该方案的可行性和效果。最后总结了本文的研究成果，并展望了未 来进一步改进和优化的方向。基于此，本篇文章对洗衣机用永磁无刷直流电机设 计的研究进行研究，以供参考。 关键词：洗衣机；永磁无刷；直流电机 引言 洗衣机是家庭生活必备的电器之一，其电机性能的好坏直接影响着洗衣机的 使用效果和寿命。然而传统洗衣机中常用的交流电机存在转速不稳定、电能消耗 大等问题。因此，本文旨在研究如何使用永磁无刷直流电机来改进洗衣机的性能。 1洗衣机用永磁无刷直流电机设计的研究的意义 1.1提高能效和节能 相比传统的交流电机，永磁无刷直流电机具有高效率和低能耗的特点。通过 将其应用于洗衣机中，可以显著提高洗衣机的能效，降低能源消耗，对环境保护 和可持续发展具有积极的影响。 1.2提升洗衣机性能 永磁无刷直流电机具有转速稳定、启动速度快、噪音低等优点，可以使洗衣 机在运行过程中更加平稳，提高洗涤效果和衣物清洁度。 1.3增强产品竞争力
随着家居电器市场竞争的加剧，洗衣机制造商需要不断创新和提升产品性能 以吸引消费者。使用永磁无刷直流电机设计的洗衣机能够满足消费者对高效、节 能的需求，增强产品的市场竞争力。 1.4推动电机技术发展 洗衣机是家庭电器中应用最广泛的之一，其电机设计的改进对整个电机领域 的发展都具有促进作用。通过在洗衣机中应用永磁无刷直流电机的研究，不仅可 以优化洗衣机性能，还可以推动电机技术的进步和应用。 2永磁无刷直流电机的设计原则 2.1电磁参数匹配 在设计永磁无刷直流电机时，需要根据要求的输出功率和转速确定合适的磁 场强度和磁极数目，以使驱动线圈的电流和磁场相匹配。这样可以提高电机的效 率和输出性能。 2.2电机结构优化 电机的结构设计应考虑到各部件之间的磁路连接、散热和机械强度等因素。 合理的结构设计可以减小磁路噪音、提高散热效果，并确保机械的可靠性和稳定性。 2.3磁体材料选择 永磁体是永磁无刷直流电机的关键部分，其质量和性能直接影响电机的性能。设计中需选择具有较高的剩磁和抗腐蚀性能的磁体材料，如钕铁硼（NdFeB）或 钴磁钢，来提供足够的磁场强度。 2.4控制系统优化 永磁无刷直流电机的控制系统包括位置传感器、控制算法和驱动电路等。合 适的控制算法和高效的驱动电路可以确保电机在不同负载和转速条件下具有稳定 性和响应性。
无刷直流电动机的设计摘要 【摘要】 无刷直流电动机是近年迅速兴起的一种新型电机，它广泛应用与工业，农 业，以及军事等领域。无刷直流电动机既保持了直流电动机良好的调速控制特 性，又消除了电刷和换向器的机械接触。 本文是对无刷直流电动机做出深入的剖析与设计。无刷直流电动机是一种具 有高效率、低磨损、低噪声的新型直流电机机种.本设计在介绍无刷直流电动机设 计中，关于相数、极数、槽数及绕组连接方式的选择方法和应遵从的规律.而且针 对小功率直流电动机结构特点和工作性能，在电枢反应理论基础上设计出功率为 120w的无刷直流电动机，并对霍尔位置传感器和无刷电动机的控制及驱动做了详 细的分析。 【关键词】设计无刷直流电动机霍尔位置传感器 Design of Brushless DC motor 【Abstract】 Brushless DC motor is rapidly development new motor in the recently, and it widely used in industry、agriculture and in the army. The better governing speed characteristic is kept and the mechanical touch between brushes and commutator is removed as well in brushless DC Motors. This paper intends to make a better on the Design of Brushless DC motor .The DC motor without coal brushless is in a new style, with higher work rate. Less wear and lower noise. This paper presents the method of selecting phase, slot number and winding connection type and introduces the laws that should be obey in the design of brushless DC
前言 人类在进入工业化社会之后，大量使用地球上石油、煤等化石能源，空气中的二氧化碳和二氧化硫急剧增加，造成了酸雨蔓延和温室效应，特别在二十世纪后期，酸雨大面积扩展，几乎蔓延至所有国家，“厄尔尼诺现象”、“主尼拉现象”频繁出现。酸雨造成农作物减产，大片森林死亡;温室效应给工农业生产和人民生活造成的损失，无法估量。目前，发展中国家的空气还在进一步恶化，我国作为世界上最大的发展中国家。环境问题已经引起党和国家以及人民群众重视。 随着我国改革开放的深入，人民的生活水平日益提高，在家用轿车还没有普及的情况下，摩托车和燃油助动车得以广泛使用，这给我国城市的环境问题带来很大压力，例如在上海市，1995年中心城区内机动车的一氧化碳、非甲烷有机物和氧化氮排污负荷分别占该区域内相应的排放总量的76%、93%和44%;一些城市如上海、广州、合肥、济南等，己相继出台政策法规，停止有限量核发摩托车和燃油助动车的牌照。因此，研制生产出一种无污染、低噪声的交通工具来替代摩托车和燃油助动车，已是时代的需要。电动自行车正是在这样的呼唤下，逐步走进人们的生活中。 电动自行车与摩托车、燃油助动车相比较，它具有突出的优点: 为了解决燃油车对环境造成的严重污染和缓解日益突出的能源危机，许多国家都在寻找替代燃油机车的交通工具。相继开发了以天然气、甲醇为燃料的交通工具，相比之下，电动车以零污染、高效率、低噪音的特点被认为是真正的“绿色”交通工具，而电动汽车受到机电、电池的限制，批量进入市场还有一定的难度，电动自行车却得到迅速的发展。 中国是一个自行车王国，据报道全国自行车拥有量为4.5亿。随着我国城市化进程加快，用电动自行车替代摩托车、燃油助动车和自行车，一方面可以缓解城市中大气污染问题，另一方面也可以提高人们的生活节奏，因此电动自行车的社会需求市场巨大，据专家预测，本世纪初，我国电动自行车年需求量将达到100万辆以上。 目前，我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为24V、36V或48V，功率在150W--400W之间;蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为12Ah，充电时间在3--8小时左右，充电一次行驶里程约50Km 左右;车速低于20Km/h，爬坡能力在4度上下;车型有普通型和豪华型，车重约35Kg，载重量约75Kg，一百公里耗电量在1kwh. 由于电动自行车的诸多优点，市场需求量大，因此电动自行车在未来的发展潜力比 1
双余度永磁无刷直流电机设计与实验研究 付朝阳;刘景林;金英汉 【摘要】In order to improve the reliability of the system, the redundancy technology is introduced into the design of permanent magnet BLDCM. Sections 1 through 3 of the full paper explain our design, computer simulation and experimental research; we believe that our design is effective. The core of section 1 consists of; (1) two kinds of stator structure are designed, including one slot and two slots; ( 2 ) the mathematical model of the motor is set up; the winding inductance is analyzed and calculated, and the relationship between the winding inductance and mutual inductance is deduced. The core of section 2 is that, according to the mathematical model, the parameters of the motor are designed and the rotational speed and torque are simulated. The core of section 3 consists of; (1) the motor is tested on the MAGTROL testing system; ( 2 ) the mechanical characteristic curves of both kinds of stator structure under different working modes are compared. The simulation results are given in Figs. 3 through 6 and the experimental results are given in Figs. 7 through 12. Both the simulation and the experiment results show that; (1) the motor of each kind can achieve good dynamic characteristics and the torque is increased by 100% with two sets of windings; ( 2) two sets of winding did not affect motor performance, but it did indeed greatly improve the system reliability.%为了提高系统可靠性,将余度技术引入到永磁无刷直流电机设计中.设计了2种定子绕组方式,包括同槽嵌放和隔槽嵌放结构.建立了
分析电动汽车永磁无刷直流电机控制器 设计 摘要：永磁无刷直流电机采用的是永磁体转子，没有励磁损耗，也没有使用换向器、电刷等机械换向设备，具有能量密度高、可靠性好、输出扭矩大等优势，在国内外电动汽车领域有着较高的关注度。永磁无刷直流电机的控制技术与运行方式，对电动汽车整体性能的影响比较直接，因此，在电机控制器设计领域具有较强的影响力。 关键词：电动汽车、永磁无刷直流电机、控制器设计 引言：本文主要对电动汽车中所使用的永磁无刷直流电机控制器的设计进行分析与研究，在提倡低碳节能发展的社会背景之下，电动汽车已经成为了交通领域的一大重要发展方向，而无刷直流电动机作为电动汽车的主要驱动电机设备，是当下科技发展的重要研究对象。 1.永磁无刷直流电机概述 我们都知道，直流电机在调速性能方面具有良好的优势，比如调速范围，低速性能、控制技术、运行效率等方面的表现都非常优良。目前，国外已经研发出了很多种永磁电机，永磁无刷电机在实际运行方面更加的便捷，我国从上世纪七十年代开始研发永磁电机，在家用、农业等新型电器方面的发展成果较好，永磁电机在投入市场之后，反馈结果区域优良，尤其是在新能源汽车方面的应用上，永磁电机的市场需求还在持续上涨，无刷直流电机的性能优势决定了它在电动汽车领域的地位。美国有关调研结果中显示，每辆豪华轿车中，至少需要使用到几十个永磁电机，就是在一般的汽车中也需要使用到二十个永磁电机。而在环境问题日渐恶化的今天，汽车的使用量还在不断的扩张，而汽车生产上门也在不断提升汽车的节能性，要求汽车上所使用的电机性能必须良好，在电机运行效率方面也有相关的要求，并且在不断缩小汽车体积，防止汽车运行过程中产生过多的火
永磁直流无刷电机实用设计及应用技术 永磁直流无刷电机是一种常见的电机类型，它具有高效率、高功率密度和高可靠性等优点，因此在各种应用中得到广泛使用。以下是关于永磁直流无刷电机实用设计及应用技术的一些要点： 1.电机参数设计：在实用设计中，需要确定电机的各项参数， 如功率、电压、转速、扭矩和效率等。这些参数应根据具 体应用需求和设计限制进行选择和调整。同时，要合理选 择电机类型和规格，以满足应用要求。 2.磁体设计：永磁直流无刷电机的核心部分是磁体，它产生 磁场以驱动电机运转。磁体设计的目标是实现高磁能积、 高磁矩和稳定性。在设计过程中，需要考虑磁体的材料选 择、形状设计和磁场分布等因素。 3.控制系统设计：永磁直流无刷电机的控制系统通常采用电 子调速技术，以实现电机的精确控制和调速。一般会采用 传感器反馈以获取电机状态信息，并通过电机驱动器对电 流和电压进行控制。控制系统的设计要考虑到电机的负载 特性、运行要求和实时调速性能。 4.效率和热管理：永磁直流无刷电机在运行中会产生热量， 需要有效管理和散热。为了保持高效率和稳定性，应设计 合理的散热系统和温度控制措施，以防止电机过热和损坏。 5.应用特定需求：永磁直流无刷电机的应用广泛，可以应用 于电动车辆、工业自动化、医疗设备、家用电器等领域。
在实际应用中，要充分考虑特定需求和环境条件，对电机 进行相应的设计和优化。 总体而言，永磁直流无刷电机的实用设计和应用技术涉及多个方面，包括电机参数设计、磁体设计、控制系统设计、热管理和特定应用需求。合理的设计和应用技术可以充分发挥永磁直流无刷电机的性能，提高效率和可靠性，满足不同领域的需求。在设计和应用过程中，需要综合考虑各种因素，并与专业技术人员进行合作和沟通，确保电机的良好运行和性能表现。
永磁无刷直流电机的设计与控制 摘要：现在处于电气时代，在现代化的生产和生活中电动机的作用都是很重要的，不管是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天以及医疗卫生、商业办公中，都使用了各种各样的电动机，有一些数据表示，我国生产的电能一大部分都 用于电动机。所以可以看出，电动机与我们的生活有着很大的联系，在生活中的 应用也越来越广泛。永磁无刷直流电机则是近些年来快速发展起来的一种新型的 电机，它使用电子换相器取代有刷直流电机和机械换向，既具有交流电机结构简单、运行可靠，维护方便等优点，还具备直流电机运行效率高，调速性能好等诸 多优点，而且转子采用永磁体励磁，无励磁损耗，在工业控制的各个领域已得到 广泛的应用，本文就将探讨它的设计与控制。 关键词：电磁无刷；直流电机；设计与控制 前言 其实永磁无刷直流电机的发展是建立在传统的直流电机上边的，因此它也保 留了很多传统电机的优点，但是又比传统的电机性能好，最受人们欢迎的还是因 为它产生的噪声很低，使用效率也比较高，还有就是使用时间长，控制结构特别 简单，所以目前国内也一直在研究永磁无刷直流电机，虽然有了一些成就，但是 和国外一些比较先进的技术相比还是有一定的差距，所以我们先要探讨的是如何 结合我国的实际情况，在永磁无刷直流电机技术上有所提高。 1.无刷直流电机控制原理 1.1无刷直流电机的结构 由于无刷直流电机是以传统的电机为基础设计的，所以两种电机的结构是基 本相同的，而最大的不同主要体现在永磁无刷直流电机的电枢绕组是安装在定子 上的，并且电机转子的转速是受电机定子旋转磁场的速度以及转子极数的影响。 电机的直流无刷驱动器是由电源部分和控制部分组成的，电源部分是给电机提供 三相电源，而控制部分则是按照需求和转换输入电源频率。电源部分一般输入的 是直流电源，但是如果输入的是交流电的话，就需要先经过转换器把交流电变为 直流电。直流电机主要是由永磁材料制造的定子、电枢、换向器以及电刷等一些 结构组成，只要在电刷的两端通入电流，转向器就能够自动地改变磁场的方向， 这样的话，直流电机就能够一直运转下去。而永磁无刷直流电机没有转向器和电刷，而是增加了一个位置传感器，其实电机的结构就会变得简单一点，制造成本 和之后的养护成本都降低了很多，但是由于它不能够自动地转向，所以就需要提 高电机控制器的成本。 1.2无刷直流电机的工作原理 因为永磁无刷直流电机中通入的是直流电，所以不能像有刷电机一样能够一 直给转子通电，它只是把电输送给定子，它有外转子和内转子两种类型，它们地 共同点就是只有定子带电。电机定子的线圈中心抽头是和电机的电源接在一块的，各相的端点则是和功率管相接，所以位置传感器导通时，功率管的G极连上12V 的电压，之后相应的相线圈就被通上了电，因为有三个位置传感器，它们会随着 转子的转动而转动，所以会依次通电，因此定子产生的磁场方向会不断地发生变化，电机转子就会根据磁场的变化转动起来。并且最重要的是电机在正常运行的 任意情况下都只有两相是导通的，而每个循环时分成六部的，每相绕组中的电流 导通的时长为和每个开关管的导通角都是120°电角度，永磁无刷直流电机的相电 流是方波，而反电势则是梯形波，因此当方波电流和反电势同相的时候，可以获
基于有限元的永磁无刷直流电机设计与性能分析的 开题报告 一、研究背景和意义 永磁无刷直流电机是当前广泛应用于工业和民用领域的一种电机， 具有高效率、高功率密度、高控制精度、小体积等优点，尤其适用于需 要高精度控制和快速响应的应用场合。随着工业自动化程度不断提高， 永磁无刷直流电机在机器人、汽车电动化、航空航天等领域中的应用越 来越广泛。 在永磁无刷直流电机的研究和设计中，通过建立数学模型，分析和 优化电机的结构和性能，可以有效提高电机的效率和性能，减少设计成 本和时间。基于有限元的方法是目前较为先进的电机设计和分析手段， 可以对电机结构和工作过程进行较为真实和准确的模拟和分析。 因此，研究基于有限元的永磁无刷直流电机设计和性能分析，对于 理解电机的结构和工作原理、提高电机的性能和效率、缩短设计时间和 成本具有重要的实际意义和应用价值。 二、研究内容和技术路线 本课题旨在研究基于有限元的永磁无刷直流电机设计和性能分析， 具体研究内容包括： 1. 永磁无刷直流电机的结构和工作原理分析，建立电机的数学模型。 2. 利用有限元软件对电机的结构和性能进行仿真分析，包括电磁场 分析、铁心损耗分析、转矩-转速特性分析等。 3. 通过仿真分析的结果对电机进行结构和参数的优化设计，提高电 机的性能和效率。
4. 对所设计的永磁无刷直流电机进行实际测试验证，比较仿真分析 结果和实验结果的一致性和准确性。 技术路线包括： 1. 理论分析：根据研究目标，建立永磁无刷直流电机的数学模型， 分析电机的结构和工作原理，并确定仿真分析的参数和方法。 2. 仿真分析：利用有限元软件对永磁无刷直流电机进行电磁场分析、铁心损耗分析、转矩-转速特性分析等，并对不同参数进行对比和优化设计。 3. 实验验证：对所设计的永磁无刷直流电机进行实际测试，并将实 验结果与仿真分析结果进行比较和验证。根据比较结果进一步优化设计。 三、预期目标和可行性分析 本课题旨在研究基于有限元的永磁无刷直流电机设计和性能分析， 预期达到如下目标： 1. 建立永磁无刷直流电机的数学模型，理解电机的结构和工作原理。 2. 利用有限元软件对电机的结构和性能进行仿真分析，分析电机的 电磁场分布、铁心损耗和转矩-转速特性等。 3. 对仿真分析结果进行分析和对比，优化电机的结构和参数。 4. 对所设计的永磁无刷直流电机进行实验验证，比较仿真分析结果 和实验结果的一致性和准确性。 本课题具有一定的可行性，主要原因如下： 1. 近年来有限元方法在电机设计和分析中得到了广泛应用，相关领 域已经积累了一定的经验和技术成果。 2. 本课题的研究内容和目标具有一定的实际应用需求和研究价值。 3. 本课题所需的理论知识和实验设备均可通过文献查阅和实验室建 设获得。
无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1。 额定功率：W 30P N = 2。 额定电压:V U N 48=,直流 3。 额定电流:A I N 1< 3。 额定转速：m in /10000r n N = 4。 工作状态:短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6。 外形尺寸：m 065.0036.0⨯φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2。 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=⨯= = η,按陈世坤书。 长期运行 N i P P ⨯'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ⨯'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2 7．计算电枢内径
m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-⨯= 8。 气隙长度m 3107.0-⨯=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-⨯= 10。 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--⨯=⨯⨯='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-⨯ 12。 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--⨯=⨯⨯==πτ 13。 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-⨯== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 221 10733.06 104.114.3--⨯=⨯⨯== π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽： m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--⨯=⨯⨯⨯==δ ,t B 可由设计者经验得1.43T ， t b 由工艺取m 210295.0-⨯ 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-⨯=⨯⨯⨯⨯=≈Φ= δδτ 1j B 可由设计者经验 得1.53T ，1j h 由工艺取m 210325.0-⨯ 根据齿宽和轭高作出下图，得到具体槽形尺寸
毕业设计论文 论文题目：直流无刷电机 学生姓名： 学生学号： 专业班级: 指导教师： 日期：
Abstract Brushless DC Motor 摘要 无刷直流电机是最近发展起来的结合了多学科技术的一种新型电机，结合机电一体化，具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性、免维护等优点，同时还具有低噪声和长寿命等特点。非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。 目前无刷电机已广泛应用于各种领域，如医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业、轻工机械、电动自行车等。 无刷直流电机的控制要比普通有刷电机的控制要复杂得多。目前直流电机的控制方法主要有两种，一种是采用专用得直流电机控制芯片，如Motorola公司的MC33035；另一种控制方法各个厂家根据自己的需求采用单片机或DSP进行开发设计。 本设计主要采用嵌入式单片机ATMEGA48写入控制程序，从而形成一种高性能直流无刷电机控制器。其不但能实现MC33035直流电机控制芯片的全部功能，而且具有接口灵活，功能完善，成本低廉、全数字控制等优点，用户能根据不同应用场合进行灵活配置。 关键词：无刷直流电机、HALL、PWM
目录 Abstract ................................................................................................. 错误!未定义书签。摘要..................................................................................................... 错误!未定义书签。第1章直流无刷电机工作原理............................................................. 错误!未定义书签。 1.2直流无刷电机的组成及工作原理................................................... 错误!未定义书签。 1.3无刷直流电机的位置检测方法 ...................................................... 错误!未定义书签。 1.4无刷直流电动机控制系统中的PWM调速 .................................... 错误!未定义书签。第2章设计需求及设计的可行性分析.................................................... 错误!未定义书签。 2.1 设计要求...................................................................................... 错误!未定义书签。 2.2课题的提出及意义 ........................................................................ 错误!未定义书签。第3章硬件设计 .................................................................................. 错误!未定义书签。 3.1 无刷直流电机驱动器的总体结构设计 .......................................... 错误!未定义书签。 3.2 原理图设计 .................................................................................. 错误!未定义书签。 3.2单片机电路设计............................................................................ 错误!未定义书签。 3.3驱动电路设计................................................................................ 错误!未定义书签。 3.4 输入输出控制部分电路设计......................................................... 错误!未定义书签。第四章系统软件设计 ............................................................................. 错误!未定义书签。 4.1 无刷直流电机工作真值表............................................................. 错误!未定义书签。 4.2控制软件设计................................................................................ 错误!未定义书签。第五章结束语 ...................................................................................... 错误!未定义书签。参考资料 ................................................................................................. 错误!未定义书签。致谢..................................................................................................... 错误!未定义书签。