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无刷直流电动机的设计-1.pdf

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做持电和
20 年第 1 05 期
专题讲座
无刷直流电动机的设计(I )
叶金虎
( 中国电子科技集团公司第二十一研究所, 203) 上海 023
T e s n B uhe D Mo r(I h D i o rsl s e g f s C t o )
Y fn一h E i u
机的电磁力矩和外部 电动机 的电磁力矩之和.因 此, 这种具有双定转子, 径向磁通和环形电枢线圈结
永磁体
永磁体
图2 内转子结构 图1 外转子结构 表 1 内外转子结构的电动机特性比较
电动机特性
外转子结构
较高 较高 较多
近似
内转子结构 较低 较低 较少 精确
转子惯量
输出力矩/ 输出功率
零部件ห้องสมุดไป่ตู้ 目
无 刷 直 流 电 动 机 的 设 计 (
霍尔效应的位置
() 3 双定转子式结构 双定转子式结构实际上是在内部被相互套配的 两台电动机, 它具有两个转子, 两个定子和两个工作 气隙, 外面的一台电动机是外转子式结构, 里面的一 台电动机是内转子式结构.根据内外转子上永磁体 的不同配置, N一 又有 N型和 N一 型两种结构, S 分
别如图 3和 4 所示.
构型式的永磁无刷直流电动机, 能够获得较高的力 矩密度和功率密度, 在许多驱动系统中, 尤其在宇航 技术领域内, 必将得到广泛的重视和应用. 在 N- 型结构中, S 外部永磁体的 N极发出的 径向磁通, 通过外部气隙, 穿过电枢线圈, 进人内部 气隙, 到达内部永磁体的 S 经过内转子磁扼, 极, 到 达内部永磁体的 N极; 内部永磁体的 N极发出的径 向磁通, 通过内部气隙, 穿过电枢线圈, 进人外部气 隙, 到达外部永磁体的 S 再经过外转子磁扼, 极, 然 后与外起始永磁体的 N极闭合.因此, N一 在 S型 结构中, 不需要定子磁扼, 有时即使采用定子磁扼, 也仅是为了增加电枢的机械强度.在 N一 S型结构 中, 电枢绕组不能采用背对背绕制的环形线圈, 而应
(o2 Rs r It tudr CSaga203,h a N. e a h i e eCT , nhi023Ci ) 1 ec n t n E h su n
线圈.开关动作是借助若干个电刷和一个换向器的 永磁无刷直流电动机得到了快速的发展, 它们被广泛地用于 机械结构来实现的, 这种电枢线圈内电流方向的变 变速驱动, 伺服驱动, 兵器, 航空, 航天和工业 自动化等各个 换被称之谓机械换向.这样, 在有刷直流电动机的 领域.因此, 合理正确地设计永磁无刷直流电动机是一个越 某一磁极下, 虽然线圈导体在不断地更替, 但只要外 来越重要的课题.从本期起分期介绍无刷直流 电动机的设 加电压的极性不变, 线圈导体中流过的电流方向始 计, 主要有: 无刷直流电动机的结构和工作原理, 以及连接方 终不变, 作用在电枢上的电磁转矩的方向始终不变, 式; 分数槽绕组; 磁路计算; 电路系统的计算等内容; 最后介 电动机的旋转方向也将保持不变, 这就是有刷直流 绍了两个典型例题. 电动机的机械换向过程的本质. 中图分类号:M3 T 3 文献标识码 : A 在无刷直流电动机中, 定子线圈导体相对转子 文章编号: 4 71 (05 0 一 0 0 10 一 08 20 )1 04 一 2 0 1 永磁体磁场的位置, 由转子位置传感器通过电子方 1永磁无刷直流电动机的工作原理 式或电磁方式所感知; 并利用其输出信号, 通过电子 换向电路, 按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组 在永磁有刷直流电动机中, 定子永磁体在气隙 相联接的相应的功率开关晶体管, 把电流开关或换 内形成激磁磁场.根据物理学定理, 在此情况下, 如 转子位置 果迫使电流在电枢绕组线圈的某一根导体中流动, 向到相应的电枢绕组.随着转子的转动, 传感器不断地发送出信号, 致使电枢绕组不断地依 就会产生一个作用于该导体的电磁力, 其量值为: 不断地改变通电状态, 从而使得在某一磁极 F =k l Bi ( ) 次通电, 1 下的线圈导体中流过的电流方向始终不变, 这就是 式中: 力 ; F一 无刷直流电动机的无接触式换向过程的实质. K一 常数; 换向是借助晶体管开关来实现的.把所有被联 B一 气隙磁通密度; 结在机械换器上面的引线头抽出来, 并给每一个引 l 导体的长度; 一 线头提供开关 , 就可以把一台有刷型电动机变换成 i 导体内的电流. 一 一台无刷型电动机; 但是, 这种方法必须包含大量的 如果电枢绕组线圈的串联导体数 ( 每线圈多 采用类似于交流电动机中的多相 匝) 大于 1并携带同样的电流, , 则电磁力的量值为: 开关.取而代之, F =k l Bi N ( ) 绕组.在此设计中, 2 相作为轴的位置的函数而被换
编者按 : 随着永磁材料和功率电子元器件的不断进步,
这里, N为串联导体数. 在电动机内, 作用在导体上的电动力对转子中 心轴线形成一个力矩, 迫使转子围绕中心轴线旋转.
向.
2永磁无刷直流电动机的结构
无
刷 首先, 永磁无刷直流电动机可以制作成整体式 旋转电磁力矩的量值为: 直 流 T=k Bi Rl N ( ) 或分装式两种类型.整体式电动机提供了包括轴 3 电 动 式中: R为导线所处位置相对中心轴线的半径. 承, 转轴, 壳体和固定装置等在内的全套电动机装 机 置.另外, 电动机制造公司能够根据用户的具体要 在永磁有刷直流电动机中, 多个线圈组成电枢 的 设 绕组.两个相邻线圈之间存在一定的角位移.一般 求, 提供特殊的壳体.例如, 可以把电动机的安装法 计 ( 兰铸造成特殊的结构形状.整体式结构电动机除了 来说, 某一线圈从 0 电角度位置开始通电, . 产生的 旋转电磁力矩从零开始由小到大, 再由大变小, 当转 便于用户安装和维修外 , 还可以为用户节省劳动力 , 过 10电角度时, 8" 该线圈产生的旋转电磁力矩又回 存储等费用. 到零.这时, 该线圈内的电流被 自动地开关到另一 分式构无体或框 的动 . 」 装 结 为壳 的无 架 电机 电
电枢 电枢
转 r
磁通环流
永磁体
图4 S N一 型双定转子式结构
的 N极发出的径向磁通, 自通过内外气隙, 自 各 各 穿过环形电枢线圈, 进入公共的定子磁扼, 自 再各 穿 出背对背绕制的环形电枢线圈, 各自通过内外气隙, 各自 到达内外永磁体的 S 然后内外径向磁通经 极, 过内外转子磁扼, 分别与内外起始永磁体的 N极闭 合.在这种结构类型的电动机中, 由于相对内部气 隙表面的电枢电流和磁通方向和相对外部气隙表面 的电枢电流和磁通方向是相反的, 所以由电枢线圈 内流过的电流和永磁体产生的磁通之间的相互作用 在内外气隙中所产生的内外电磁切向力的方向是一 . 致的.这意味着: 电动机的总电磁力矩等内部电动
采用叠绕组或波绕组.
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( 未完待续)
在 N一 N型结构中, 电枢绕组为背对背绕制的
具有一个公共的定子磁扼.内外永磁体 4 环形线圈, 2
万方数据
�
下:
转 浦
绕组
磁通环流
永磁体
图3 N型双定转子式结构 N一
() 1 内转子式结构 一般而言, 电动机的定子在外面, 转子在里面. 在传统的有刷直流电动机中, 定子磁场在外面, 转子 电枢在里面.无刷直流电动机出现后, 使电枢从里 面走到外面, 由转子变成了定子.这种结构称之谓 内转子结构. () 2 外转子式结构 在实际使用中, 有时为了满足某些电子机械的 特殊技术要求, 把无刷直流电动机的定子电枢做在 里面, 而把带永磁体的转子做在外面, 我们把这种结 构称之谓外转子结构( 或称之谓内定子结构) . 内转子结构和外转子结构分别示于图 1 和图 2 .在无刷直流电动机的设计中, 外转子结构和内转 子结构具有各 自的优缺点.这两种设计之间的电动 机特性的差异情况概括在表 1 中.
万方数据
专题讲座
拟持电扣
定子
20 年第 1 05 期
动机制造公司根据用户的具体要求, 只提供电动机 的有关零部件.电动机的有关零部件全部由用户直 接把它们封装人最终产品内.这样, 可以消除联轴 节和某些机械构件, 避免引人不希望的机械谐振, 以 便使最终产品具有结构紧凑, 系统的伺服频带更宽 和刚度更高等优点. 永磁无刷直流电动机又可以制作成内转子式, 外转子式和双定转子式等类型的结构, 分别介绍如

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BLDC电动机本体设计及控制原理(详细版)

BLDC电动机本体设计及控制原理(详细版)

█ 同步电动机 同步电动机具有良好的运行
性能，但其起动性能不佳。
22
无刷直流电动机发展历史
█ 上世纪三十年代，有人提出了用 电子换相取代机械换向的无刷直流电 动机概念，但当时尚无理想的电子换 相器件。
23
无刷直流电动机发展历史
█ 1955 年，美国 D. 哈利森等人首次 发明了应用晶体管代替机械换向器的无 刷直流电动机，但当时没有电机转子位 置检测器件，该电机没有起动能力。
1） 控制器
64
无刷直流电动机控制器
控制器的组成 █ 开关主电路 █ 驱动电路 █ 控制电路
65
无刷直流电动机控制器
1
3
5
接 整
R3
D7
流
桥
C3
4
6
2
滤波电路 缓冲电路
逆变电路
无刷直流电动机开关主电路
66
无刷直流电动机控制器
█ 缓冲电路作用
减少开关管承受的尖峰电压，使开关管 工作在安全区域内，提高主电路的可靠性。
一、无刷电机概述 二、无刷电机原理与特性 三、无刷电机控制 四、无刷电机转矩脉动 五、无刷电机电磁设计
2
稀土永磁无刷直流电动机
Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor，BLDCM
一、无刷电机概述
3
无刷直流电动机概述
1. 无刷直流电动机的应用 2. 无刷直流电动机发展历史 3. 无刷与有刷直流电动机比较 4. 无刷直流电动机的特点 5. 无刷直流电动机系统组成
29
无刷直流电动机分类
交流电动机 异步电动机
电动机
直流电动机
同步电动机
换向式 单极式
无刷直流电动机的设计(ⅩⅣ)

无刷直流电动机的设计(ⅩⅣ)

电源输 出端接地 对安 全保 护有 好处 ？没有 。因为 电源
的瞬间 ， 负载电流 ， 大 ， 越 产生 的 电抗 电势也越大 ， 电源 的 对 损害也越大。同样 ， 在负 载 电流一 定 的情况 下 ， 圈 的电感 线
，
（ ）用示 波 器观察 电流波 形 ， ２ 如果 将取 样 电 阻接 在 正 样。由于感 性负载能储 存磁 场 能量 ， 通 、 突 突断都 会产 牛很
｜ ，
电源。电抗电势 ｅ Ｌ ， ＝一 半 也就是说， 感性负载突通、 突断
Ｕ
（ ）如果 电机绝 缘通 地 ， ３ 电机 引线通 过 外壳 ， 也可 造成 电源输 出端 直接短路 。
磁场 强度 。
： 无
式（９ 表明 ， ４） 为了在一定 气隙内产生一定 的磁通 ，
乘积 Ⅳ Ｂ 愈 大 ， 需要 的永磁 体 的体积 就 愈小 。 所
现在 ， 我们 进一 步讨论 如何 获 得最 大 的乘 积
（ Ｈ … 。众所周知 ， Ｂ） 位于第二象限内的磁滞回线部
分， 被称为 去磁 曲线 ， 图 ３ 示 ， 描绘 了永 磁体 如 ５所 它
中 图分 类 号 ： Ｍ３ １ Ｔ ８ 文献标识码 ： Ａ
为纵坐标 。图中直线 Ｏ Ｋ代表 了气 隙的大小 ， 与 它 去磁 曲线的交点 Ｄ称 为该磁路的永磁体的工作点 ， 而Ｅ ，代表了乘积 Ｄ Ｄ 。在去磁曲线上 ， ＥＸ Ｇ 不同的 工作点就有不 同的（ Ｈ） ， Ｂ 值 对应于最大 （ Ｈ） Ｂ 值的 工作点 ， 被称为永磁体的最佳工作点。 有时 ， 积 （ Ｈ） 被认 为是 永磁 体 所能提 供 的 乘 Ｂ
电源正端 ， 通过 示波 器 ， 则会造成电源输 “直接短路。 Ｉ 端， 此时无论示波器 怎样夹 在取样 电阻 的 两端 ， 都会造 成 电
无刷直流永磁电动机设计流程和实例

无刷直流永磁电动机设计流程和实例

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 NNm i 48.4063.03085.0'=⨯==η,按陈世坤书; 长期运行 N i P P ⨯''+='ηη321 短期运行 N i P P ⨯''+='ηη431 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′=27．计算电枢内径m n B A P D N s i i i 23311037.110000255.0110008.048.401.61.6-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=''''='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=111. 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 221102.22104.114.32--⨯=⨯⨯==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 22110733.06104.114.3--⨯=⨯⨯==π3. 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,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=δδτ1j B 可由设计者经验得,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6. 气隙系数 135.1)5()5(2010101=-++=b b t b t K δδδ7．电枢铁心轭部沿磁路计算长度m h ph h D L j ij t i i 2111110064.2)21(2)2(-⨯=+-⨯++=απ8．槽面积2410272.0m S -⨯=电枢铁芯材料确定从数据库中读取电枢冲片材料DW540-50电枢冲片叠片系数96.01=Fe K 电枢冲片材料密度331/1075.7m j ⨯=ρ电枢冲片比损耗kg W p s /16.2)50/10(=四.转子结构1. 转子结构类型:瓦片磁钢径向冲磁2. 永磁体外径m D D i m 211026.12-⨯=-=δ3. 永磁体内径m H D D m m mi 21086.02-⨯=-=4. 永磁体极弧系数8.0=m α5. 紧圈外经D 2=m 21032.1-⨯6. 永磁材料磁化方向截面积24221043.421026.114.3108.28.02m p D L S mm m m ---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==πα7. 永磁材料的选取永磁体材料：钕铁硼 剩磁r B ：矫顽力c H ：796 kA/m 永磁体材料密度m ρ:cm 38. r B 对应的磁通Wb S B m r r 41087676.4-⨯=⋅=φ 9．c H 对应的磁势A D D H F mim c c 3200)2(2=-= 10． 转子轭材料选择由于转子较细,故转轴、磁轭为一体,选用10号钢 11．转子磁轭等效宽度 m D D D D b i mi i e j 22222221033.02102.01086.022---⨯=⨯-⨯=-=-=12．转子磁轭沿磁路方向长度瓦片m pD D b L mii e j j 222221083.0)21(4)(-⨯=-++=απ五、磁路计算1. 漏磁系数2.1=σ2. 气隙磁通δδδταB L B i 926.4==Φ3．空载电枢齿磁密δδδB B K b t B B Fe t t 588.296.010295.010733.022=⨯⨯⨯⨯==-- 4. 空载电枢轭磁密δδδB B L K h B Fe j j 819.28.296.0325..02926.4211=⨯⨯⨯=Φ=5. 空载转子轭磁密δδδσB B L b B j j 198.38.233.02926.42.1222=⨯⨯⨯=Φ= 6. 气隙磁势A B B B K F 462610127.010135.11007.06.1106.1⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=-δδδδδδ7. 定子齿磁势A H H h H F t t t t t 22109.01045.022--⨯=⨯⨯== 8. 定子轭部磁势A H L H F j j j j 211110064.2-⨯== 9. 转子轭部磁势A H L H F j j j j 222221083.0-⨯== 10． 总磁势∑+++=21j j t F F F F F δ 11. 总磁通Wb B m 410926.42.1-⨯⨯=Φ=Φδδσ12.空载特性曲线计算见表;因为表面磁钢永磁电机电动机负载时气隙的合成磁场与空载时差不多;六．电路计算1. 绕组形式及电子开关形式：两相导通星形三相六状态 2. 绕组系数采用单层集中整距绕组,即 第一节距)(31槽==τy 每极每相槽数12pmZq ==m 是相数；p 为极对数 故绕组系数1=w K3. 预取空载转速m in /120000r n =' 4. 每相绕组串联匝数φW '0.7V U 24.8025.700为管子压降，取匝，∆=Φ'∆-='δφαpn UU W i取匝82W =φ5. 电枢总导体数根4922==φmW N6. 实际每槽导体数N s =N/Z=82根7. 实际空载转速0nmin /11742109039.28217.02488.05.725.7400r pW U U n i=⨯⨯⨯⨯-⨯⨯=Φ∆-=-δφα8. 计算绕组端部长度m pD D pDav l i b 211101.42)2)(2.122.1-⨯=+=='ππ 9. 计算电枢绕组每匝平均长度m l L L bav 2108.13)(2-⨯='+= 10． 预估导线截面积2661007086.01101463.04830m a J U P S aN N c-⨯=⨯⨯⨯⨯=''='η 式中26'/1014m A J a⨯=为预取导线电流密度 1=a 为每相绕组支路数 11. 导线选取选择F 级绝缘导线QZY-2 导线计算截面积26210066.04m d S c c -⨯==π导线最大截面积262max max 10092.04m d S c c -⨯==π导线直径md m d c c 3max 310342.01029.0--⨯=⨯=12. 槽满率计算公式选择35.01042max=⨯⋅=-S c s s S S N K π13. 实际导线电流密度26'/1015m A aS U P J c N Na ⨯==η 14. 每相电枢绕组电阻Ω==⨯=Φ-31022)20(62)20(20cavcava S a l W S ma Nl r ρρ式中)/(0157.02)20(m mm ⋅Ω=ρ为导线的电阻率 设电机绕组的工作温度t 为75C 0,则导线工作温度电阻Ω=⨯-+=65.3])20(1[20t a at p t r r 式中00395.0=t p 为导线的电阻温度系数七．电枢反应计算1. 起动电流 A r UU I atst 77.722=∆-=2. 起动时每极直轴电枢反应最大值A K W I F w st sdm 27643==φ 3. 额定工作时的反电动势 V n W pC N ie 5.39152'==δφφα 4. 额定工作时电枢电流 A r EU U I ata 97.022=-∆-=5. 额定工作时最大直轴去磁磁势A K W I F W a adm 3443==φ 6. 负载工作点：根据sdm F 和adm F ,可在空载永磁体工作图上作出负载和起动时的特性曲线2、3,求负载特性曲线与永磁体去磁曲线的交点,得负载工作点：负载气隙磁感应强度T B 5872.0=δ 负载气隙磁通Wb 4108925.2-⨯=Φδ负载电枢齿磁感应强度t B = 负载电枢轭磁感应强度j B =7. 额定工作时电磁转矩m N I W pT a iem .0366.04==δφφπα8. 起动电磁转矩 m N I C T st T st .293.0=Φ=δ 八. 性能计算1. 电枢铜损W r I p at a Cu 87.622== 2. 电枢铁损W G B G B f p K p j j t t a Fe 11.4)()50)(50/10(12123.1=+= 式中a K ------铁损工艺系数,取2=a K1j G ------定子轭重kg L h D D G j s j 05816.010])2([43211211=⨯--=-πρt G ------定子齿重kg ZL h b G t t s t 0173.0103=⨯=-ρ3. 轴承摩擦损耗W n G K p N p mp mpn 05.1103=⨯=-Kmp=3,p G 为磁钢重 转子轭重 转轴重 传感器转子重的和 3=mp K 为默认情况,可让用户自己指定kg G G G G r g m p 035.0=++=4. 风损W L n D p N mpb 13.01026332=⨯=-5. 机械损耗和铁损W p p p p mpb mpn Fe 29.5=++='6. 考虑到附加损耗后的机械损耗和铁损 W p p 877.63.1='=系数可选 7. 开关管损耗W U I p a 358.12=∆⨯=∆8. 电机总损耗W p p p p Cu 1.15=++=∆∑9. 输入功率W I U P a N 56.461==10. 输出功率W p P P N 46.311=-=∑ 11. 效率%57.67%1001=⨯=P P N η 12. 摩擦转距m N n p T N.00657.056.90== 13. 额定输出转距 m N T T T em .03.002=-=。

无刷直流电动机控制系统设计

无刷直流电动机控制系统设计

无刷直流电动机控制系统设计方案第1章概述 (1)1.1 无刷直流电动机的发展概况 (1)1.2 无刷直流永磁电动机和有刷直流永磁电动机的比较 (2)1.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 (3)1.4 无刷直流电动机的运行特性 (6)1.4.1 机械特性 (6)1.4.2 调节特性 (6)1.4.3 工作特性 (7)1.5 无刷直流电动机的使用和研究动向 (8)第2章无刷直流电动机控制系统设计方案 (10)2.1 无刷直流电动机系统的组成 (10)2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案 (12)2.2.1 设计方案比较 (12)2.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图 (13)第3章无刷直流电动机硬件设计 (15)3.1 逆变主电路设计 (15)3.1.1 功率开关主电路图 (15)3.1.2 逆变开关元件选择和计算 (15)3.2 逆变开关管驱动电路设计 (17)3.2.1 IR2110功能介绍 (17)3.2.2 自举电路原理 (19)3.3 单片机的选择 (20)3.3.1 PIC单片机特点 (20)3.3.2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义 (22)3.3.3 PIC16F72单片机的功能特性 (22)3.3.4 PWM信号在PIC单片机中的处理 (23)3.3.5 时钟电路 (23)3.3.6 复位电路 (24)3.4 人机接口电路 (24)3.4.1 转把和刹车 (24)3.4.2 显示电路 (25)3.5 门阵列可编程器件GAL16V8 (27)3.5.1 GAL16V8图及引脚功能 (27)3.6 传感器选择 (28)3.7 周边保护电路 (30)3.7.1 电流采样及过电流保护 (30)3.7.2 LM358双运放大电路 (31)3.7.3 欠电压保护 (32)3.8 电源电路 (32)第4章无刷直流电动机软件设计 (33)4.1 直流无刷电机控制器程序的设计概况 (33)4.2 系统各部分功能在软件中的实现 (33)4.3 软件流程图 (34)结束语 (36)致谢 (37)参考文献 (38)附录1 (39)附录2 (51)第1章概述1.1 无刷直流电动机的发展概况无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。