无刷直流电动机的设计-16.pdf

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.When the pole arc coefficient of PMs is 0. 7, the induced fundamental voltage is the highest. Finally, a sample motor is designed and FEA is used to validate the effectiveness of the proposed design.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(043)002【总页数】5页(P317-321)【关键词】轴向磁场;无铁心永磁电机;设计程序;磁路法;三维有限元分析【作者】曹永娟;黄允凯;金龙【作者单位】东南大学电气工程学院,南京210096【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁无刷直流电动机越来越广泛地应用在家用电器及工业生产中．在各种类型的永磁无刷直流电动机中,轴向磁场无刷直流电动机(又称盘式电机)因具有轴向尺寸短、质量轻、体积小、结构紧凑等特点,已经成为研究热点．尤其在轴向尺寸有限的应用场合,例如空调外机、汽车散热器的风扇、电动车辆等,具有明显优越性[1-3]．常规电机中,定、转子铁心采用硅钢片叠压而成,质量大、损耗大、振动噪声大、效率低、转动惯量大、响应速度慢,并且由于齿槽效应,使得电磁转矩产生脉动．针对这些不利因素,如果能利用钕铁硼永磁材料高矫顽力的优异特性,不用或少用硅钢片,制成无铁心电机,不仅电机质量可大幅下降,同时又能提高效率,降低振动噪声[4-6]．结合轴向磁场永磁电机和无铁心电机的优点,本文研究轴向磁场无铁心永磁无刷直流电机的设计及仿真．根据该种电机的结构特点及内部电磁关系,采用磁路法开发了该种电机的设计软件．对于设计方案中的关键参数,利用三维有限元分析方法仿真分析电机内部电磁场,得到最优设计参数．1 轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机的电磁设计1.1 结构特点轴向磁场永磁电机由于其盘式特征,可以拓扑出很多结构形式．为了克服单边磁拉力,减少漏磁,本文研究的是一种双转子单定子结构电机,如图1所示．电机结构对称,在两侧的转子盘内侧直接粘贴永磁体,永磁体轴向充磁,N，S磁极相对放置．此结构的磁通不需要利用中间定子铁心来形成闭合磁路,因此定子铁心厚度可以非常小．图1 轴向磁场无铁心永磁电机示意图1.2 主要尺寸方程与传统径向磁场永磁电机设计方法不同,轴向磁场无铁心永磁电机电磁转矩、电磁功率与电机内、外径密切相关．基于感应电动势及电磁功率等的计算表达式[2],盘式无铁心永磁无刷直流电动机的主要尺寸与功率之间的关系如下:(1)式中,Am为平均半径处电动机的线负荷;Bmg为磁密最大值;n为电机转速;kw1为绕组系数．Am==(2)式中，kd=Din/Dout为内外径比，Dout为外径，Din为内径；N1为每相串联匝数；m1为相数；Ia为相电流有效值；r为平均半径.盘式永磁无刷直流电动机方程中,内外径比kd是盘式电机初始设计时最重要的几何尺寸比,当外径和平均线负荷一定时,对式(1)功率求极值,可得kd==(3)此时,电动机输出最大电磁功率．实际设计时,内外径比的选择还要综合考虑用铜量、效率、漏磁等因素,对于小型机一般取0.6～0.7之间．本设计中该值取为0.67．电机所用永磁材料体积为Vm=hmαp(4)式中,hm为永磁体轴向磁化方向厚度;αp为极弧系数．为了减少无铁心定子绕组端部漏磁,设计时无铁心定子绕组的外径尺寸比永磁体尺寸略小．由于所设计电机采用无铁心定子结构,因此电机的实际有效气隙长度lg较大,为lg=lcoil+2g(5)式中,lcoil为无铁心定子绕组厚度;g为定子绕组和转子盘体之间的气隙长度．为避免电机运行过程中定子绕组盘和转子盘之间的物理接触,对于小型电机气隙长度g应在0.5～0.8 mm之间[3]．本设计中该值取0.7 mm．考虑到电机安装空间尺寸限制,所设计样机主要参数见表1．表1 样机主要参数1.3 电机主要损耗分析在性能分析中,损耗的正确计算关系到电机效率的优化,对于无铁心盘式永磁电机,铁心损耗可忽略不计,电机损耗主要包括以下3种损耗[7]．1.3.1 定子绕组的电阻损耗在电流流过定子绕组,会在定子绕组上产生电阻损耗,其计算公式如下:(6)式中,Rs为定子电阻．1.3.2 定子绕组的涡流损耗由于磁场旋转切割无铁心定子绕组,会引起绕组所交链的磁场呈周期性变化,从而在绕组表面产生集肤效应,形成涡流．涡流损耗的大小取决于导线的几何尺寸以及磁通密度的波形[7],为减小集肤效应及涡流损耗,通常选用利兹线绕制定子绕组,但利兹线比实心导线价格更贵,槽满率更低．定子绕组的涡流损耗可根据下式计算:ΔPeddy=Vcu(7)式中,f为频率；Bg为气隙磁通密度;Dstrand为每股导线的直径;ρcu为铜线的电阻率;Vcu为铜线的体积．1.3.3 风摩损耗电机在旋转过程中,克服风的阻力和机械摩擦阻力所需要消耗的能量称为风摩损耗．风摩损耗的大小主要取决于气隙长度以及电机外径[7],即ΔPmec=(8)式中,μ为空气粘滞系数;ρ为空气密度;p为极对数．2 轴向磁场无铁心永磁无刷直流电机永磁体主要参数分析对于无铁心轴向磁场永磁电机,永磁体是影响电机性能的最重要构成部分[8]．同时,为提高电机转矩密度,永磁体多采用钕铁硼或钐钴等高磁能积材料,电机成本很大程度上取决于永磁材料用量．因此,在相同性能条件下,减少永磁材料用量对于降低电机成本相当重要[9]．本文利用三维有限元分析方法对磁极厚度、永磁体极数与极弧系数进行优化设计,尽可能提高永磁材料的利用率．2.1 磁极厚度对电机性能的影响磁极的内外径确定后,关键的问题是如何选择磁极厚度hm．在无铁心永磁电机中,电机的磁动势与磁极厚度密切相关．磁极厚度小,则电机磁动势小,气隙磁密较低;磁极厚度大,则电机气隙磁密增大,但是电机制造成本提高．因此磁极厚度hm存在一个最优值．保持极对数p=8、极弧系数αp=0.8,磁极厚度hm在2～8 mm之间变化,利用有限元分析软件Ansoft Maxwell 3D对拟设计电机的模型进行电磁场仿真分析,得到的磁极厚度与气隙磁密之间的关系如图2所示．图2 气隙磁密与磁极厚度的关系由图2可见,在其他参数一定的情况下,磁极厚度对磁密影响较大．当磁极厚度小于3 mm时,气隙磁密较小;随着磁极厚度的增加,气隙磁密逐渐增大;当厚度增加到一定程度时,将导致电机磁路饱和,所以在厚度大于6 mm后,气隙磁密的变化率减小．因此,本设计选取磁极厚度为6 mm．2.2 极数对电机性能的影响极数对电机性能影响很大,在电机尺寸一定的情况下,采用较多的极数可使极距减小,磁负荷减小,因此输出转矩变小,同时也能够使电枢绕组电感减小,有利于无刷直流电动机驱动电路中电子器件的换向．采用较少的极数可使极距增加,漏磁减少;但对于一定的电枢导体数,极数少的电动机端接部分较长,导致用铜量增加,从而电枢绕组铜耗增加,效率降低[10]．因此应综合考虑各种因素来选择电机的极数,设计中磁极数一般选为8～16极,这里将比较8极、12极和16极各极数下的电机性能．为了确定设计方案中电机的极数,保持其他参数不变,仅改变电机极数,分别建立8极、12极和16极电机模型,利用有限元分析软件对拟设计电机的模型进行电磁场仿真分析．图3为8极、12极和16极轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机的气隙磁密分布图．从图中可看出,12极电机的气隙磁密最大,达到0.7 T;而8极电机的气隙磁密最小,约为0.65 T．由于永磁体极弧系数没有改变,在不同极数下永磁体用量均相同,气隙磁密高,电机工作性能好,所以此设计方案确定电机极数为12极．图3 不同极数下轴向磁场无铁心永磁无刷直流电机气隙磁密分布图2.3 极弧系数对电机性能的影响当电机永磁体极数确定的情况下,不同的极弧系数对磁密的幅值几乎没有影响,但是对感应电动势的波形有较大影响,正确选择极弧系数可以改进电动势波形,提高电动势的基波幅值．当极弧系数在0.6～0.8范围内变化时,利用瞬态电磁场有限元分析来计算反电动势,并根据计算结果对其进行谐波分析,得到如图4所示的基波和谐波分布图．从图4中可看出,当极弧系数为0.7时,电动势的基波幅值达到最大．图4 不同极弧系数下反电动势谐波分析3 电磁设计软件的开发在分析盘式无铁心无刷直流电动机设计特点的基础上,编制了此类电机的电磁设计程序,该程序具体步骤如下:① 输入电动机的功率、电压、相数、极数、永磁体材料等参数.② 预设初始气隙磁密、电负荷、绕组因数、效率等.③ 计算主要尺寸.④ 根据解析式(9)计算磁密.⑤ 若通过式(9)计算出的磁密与预设磁密值相差较大,转步骤②,改变预设磁密值,一直到误差控制在1%以内.⑥ 计算损耗、效率.⑦ 判断效率与预设效率是否满足误差在1%范围内,若不满足,则转步骤②,改变初始效率,直到满足为止;否则,设计程序结束,并输出设计方案．Bmg=(9)式中,Br为永磁体剩磁密度;μr为永磁体相对磁导率;wm为永磁体平均宽度;rav为永磁体所在位置处平均半径．利用该程序,结合电磁场有限元分析优化,本文设计了一台额定功率40 W、额定转速750 r/min的样机．除表1中已给出的样机主要参数外,其他参数具体取值见表2．表2 盘式无铁心永磁无刷直流电动机设计方案4 仿真验证为了检验上述设计的正确性和合理性,本文利用三维有限元仿真软件对设计电机进行仿真验证,磁通密度分布图和感应电动势波形图分别如图5和图6所示．此外,根据设计方案制作了样机(见图7),对样机效率进行测试,最终样机的额定工作效率为84%,满足设计要求．图5 轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机磁通密度分布图图6 三相感应电动势波形图图7 制作的样机5 结语本文通过计算机辅助设计软件,设计电机主要尺寸及计算样机磁密、效率等性能参数．在对电机永磁体关键参数设计过程中,采用有限元软件Ansoft Maxwell 3D对拟设计样机进行仿真分析,分别得到磁极厚度和磁密关系图、不同极数下电机气隙磁密分布图及不同极弧系数情况下感应电动式基波和谐波分布图．根据分析结果,确定最佳永磁体厚度、永磁体极数和极弧系数,实现了利用电磁场有限元软件与磁路设计相结合的方法设计轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机．参考文献 (References)[1]Nair S S, Nalakath S, Dhinagar S J. 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Transactions of China Electrotechnical Society, 2004, 19(12): 24-28. (in Chinese)[6]陈金涛, 辜承林. 轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的设计[J]. 微电机, 2002,35(5): 14-16.Chen Jintao, Gu Chenglin. The design of axial-field permanent magnet brushless coreless disc motor[J]. Micromotors, 2002, 35(5): 14-16. (in Chinese)[7]Sadeghierad M, Lesani H, Monsef H, et al. High-speed axial-flux permanent-magnet generator with coreless stator [J]. Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering, 2009, 34(2): 63-67.[8]Hwang C C, Li P L, Chuang F C, et al. Optimization for reduction of torque ripple in an axial flux permanent magnet machine [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(3): 1760-1763.[9]Ferreira A P, Costa A F. Efficient pole-arc coefficients for maximum no load flux linkage in axial flux permanent magnet machines [C]//IEEE International Symposium on Power Electronics and Drives. Braganca, Portugal, 2011: 246-250.[10]Upadhyay P R, Rajagopal K R. FE analysis and computer-aided design of a sandwiched axial-flux permanent magnet brushless dc motor [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2006, 42(10): 3401-3403.。

█ 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

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

；
ｉ
第一步： 作永磁体的去磁曲线 ＝ｏＡ ｆ（ Ｗ ）
磁铁工作图为二坐标系统 。为了便 于计算 ， 纵
第五步 ： 决定 回复直线的起始点 Ｋ
根据 所采 用 的“ 稳磁 ” 法 ， 方 计算 出相 应 的永 磁 体的去磁磁 势， 按一 定 比例 尺在 横 坐标轴 上取 并
出 ． 川按需要凋啦恒流 大小． 至实 现电机的斟 分驯动 就 甚 Ｅ
４软件设计
本驱动器的脉冲分 配部 分由软件来 实现 ． 按照 选定的电
机工作方式（ 通电换相 Ⅲ序 ）庄内存 ｌ Ｍ 【 丽 ． ｔ 互阡辟 一个区域 Ｏ 存储脉冲分配 器的输 出状 态， 按照 电机正 厦转的 要求 按上 反 Ｅ
Ｏ ， Ｑ 段 使之与永磁体的去磁磁势相等。然后 ， 把永 平移后永磁体 的外磁路特性 曲线 ＝ Ａ ｍ 与永 Ｗ） 磁体的去磁 曲线 ＝ ｏ Ａ 相交于 Ｋ点。Ｋ点 ｆ（ Ｗ ） 就是回复直线 的起 始点。当我们采用“ 动稳定” 起 法“ 稳磁” ， 时 只要计算出起 动时 电枢反应 的直轴去 磁磁势 然后便可决定 回复直线的起始点 Ｋ ， 如图 ３ ８所示 。点描绘出来。 第四步： 永磁 体 的外磁 路特 性 曲线 作
（ ）
＝ ＿ 厂
；路和磁路之间相互关系的图形。设计者可以借助磁
铁工作图来调整磁路系统和电路系统的参数 ， 使永 ｉ磁体工作在最佳工作点 附近。因此 ， 磁铁工作 图不
由图 ３ ２的等效 磁路可 知 ， 此， 把漏磁通特性曲线 ＝ （
在图 ３ ８中 ， ＝ （ ） 为空载特性 曲线 ， 它
第六步 ： 作回复直线 ＝ （ Ｗ ） ｇ Ａ 以 Ｋ点为起 始点 ， 回复直 线 ＝ （ Ｗ ） 作 ｇＡ ｍ，

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。

维普资讯
微 电机
２０ ０ ７年
第４ ０卷
第１ ０期 （ 总第 １６期 ） ６
中图分类 号：Ｔ ３ １ Ｍ６
文献标 识码 ：Ａ
文章编号 ：１０ －８ ８ ２ ０ ）００ ２ —２ ０ １ ４ （０７ １—０４ ０ ６
一
种 无 刷 直 流 电 动 机 的 新 型 设 计
绕 很 多 只骨 架 。
２ 试 制体 会
根据上 述 设 计 已制 出 该 种 样 机 多 台 ，样 机 性
能合格 ，在试制中应注意以下几点 ：
（ ）定 子轭 圈与 定子齿 圈的配合 不 能过松 ，其 １ 配合 间隙应控 制在 ０～ ．４ｌｎ 内。该 间隙属于二 ００ ｒ之 ｎ 次气 隙 ，在电磁 设计 中应 计算 到 气 隙长度 中去 。对 用铁氧体作 永磁 转子 的无 刷 直流 电机 来说 ，二 次气 隙影响微小 ，但若 二 次气 隙过 大 ，会 增 加定 子齿 的 径 向和轴 向脉动 ，增大 电磁噪音 ，应特 别重视 。
周 正发 ，余 云 飞 ，周 镜 心
（ 芜湖盈嘉 电机有 限公 司 ，芜湖 ２ １０ ） ４ ０ ０
摘
要 ：为 了节约能源和提 高房 间的舒适度 ，空调行 业推 出了变频空调 ；但 变频空调价格 贵 ，很难
进 入寻常 百姓 家。作 为 变频空调 中的无刷直 流 电动机 首先考 虑要 降低 成本 ，办法有很 多种 ，其 中用
（ ）将定 子齿 （ ２ 其个 数 为相 数 与 极 数 的乘 积 ）
用增 强尼 龙 注 塑 在 一 起 ，形 成 齿 圈 ，齿 圈 尼 龙 部 分 两端各 高 出齿面 ７ ｍ ｍ左 右 ，以增加 结 合 强度 与
刚度 。定 子齿 内 圆齿 尖 部 分 有 小 凹槽 ，使 定 子 齿 在 注塑后 不会 向 圆心 方 向松动 ，见 图 １ （ ） Ｃ。 本例 中 ，定子齿 数 ＝ｍ ３Ｘ３＝ ｐ＝ ９ （ ）将 漆包 线绕 在 已制好 的 中心 有方 孔 的尼龙 ３ 骨架 上 。尼 龙骨 架形 状见 图 １ （ ） ｄ 。其 中心 方 孑尺 Ｌ 寸 略大 于定 子 齿 截 面尺 寸 。绕 线 时将 尼 龙 骨 架 及 挡板 穿入 方 形 芯 棒 ，可 在 普 通 多 头 绕 线 机 上 同 时

永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究一、本文概述本文旨在全面探讨永磁无刷直流电动机（Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM）的设计和仿真研究。

永磁无刷直流电动机作为现代电力驱动系统的关键组件，具有高效率、高功率密度、低噪音和低维护成本等诸多优点，因此在电动汽车、航空航天、家用电器等领域得到了广泛应用。

本文将从理论基础、设计原则、仿真方法、优化策略等多个方面，对永磁无刷直流电动机的设计和仿真进行深入研究。

本文将概述永磁无刷直流电动机的基本工作原理和结构特点，为后续的设计研究和仿真分析奠定理论基础。

接着，重点讨论电动机设计过程中的关键因素，包括绕组设计、磁路设计、热设计以及电磁兼容性设计等，并提出相应的设计原则和优化策略。

在此基础上，本文将探讨基于数值计算的仿真分析方法，包括有限元分析、电路仿真、热仿真等，以评估电动机的性能和可靠性。

本文将总结永磁无刷直流电动机设计和仿真研究的最新进展，展望未来的发展趋势和研究方向。

通过本文的研究，旨在为读者提供一套完整的永磁无刷直流电动机设计和仿真分析框架，为推动该领域的技术进步和应用发展做出贡献。

二、永磁无刷直流电动机的基本原理与特点永磁无刷直流电动机（Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM）是一种结合了直流电机与无刷电机技术的先进电动机类型。

其基本原理在于利用永久磁铁产生的恒定磁场作为电机的励磁场，并通过电子换向器实现电流的换向，从而实现电机的连续旋转。

这种设计消除了传统直流电机中的机械换向器和电刷，显著提高了电机的运行效率和可靠性。

高效率：由于消除了机械换向器和电刷，减少了能量损失和摩擦，使得PMBLDCM具有更高的运行效率。

高转矩密度：永磁体产生的恒定磁场使得电机在相同体积下能够产生更大的转矩。

良好的调速性能：通过电子换向器，可以实现对电机转速的精确控制，满足各种应用需求。

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。

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。

文章标题：基于单片机的无刷直流电动机的控制系统设计一、引言在现代工业生产和民用设备中，无刷直流电动机（BLDC）的应用越来越广泛。

它具有高效率、高功率密度、响应速度快等特点，在电动汽车、家电、医疗器械等领域都有着重要地位。

而基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计，正是为了更精准地控制电动机的运行，以满足不同领域的需求。

二、无刷直流电动机的原理和特点1. 无刷直流电动机的工作原理及结构无刷直流电动机是一种能够将直流电能转换为机械能的电动机，它的结构简单、维护成本低、寿命长。

其工作原理是利用永磁铁和定子电磁绕组之间的磁场相互作用，通过改变转子上的磁场来实现电动机的转动。

2. 无刷直流电动机的特点高效率：相比传统的直流电动机，无刷直流电动机具有更高的能量转换效率。

响应速度快：由于无需使用机械换向装置，无刷直流电动机转速响应速度快。

寿命长：由于无刷直流电动机少了机械换向装置，因此减少了摩擦，提高了机械寿命。

三、基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计1. 电机驱动器在基于单片机的无刷直流电动机控制系统中，选择合适的电机驱动器至关重要。

常见的电机驱动器包括晶闸管驱动器、电子换向驱动器等。

通过合理选择电机驱动器，可以实现对电动机的高效控制，提高电动机的性能和稳定性。

2. 控制算法控制算法是影响电动机性能的关键因素之一。

在基于单片机的控制系统设计中，PID控制算法是常用的一种。

通过对电机转速、转矩进行实时调节，可以使电机在不同工况下获得良好的控制效果。

3. 硬件设计在基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计中，硬件设计包括单片机选型、外围电路设计等。

根据具体的应用场景和要求，选择合适的单片机，并设计与之匹配的外围电路，保证整个系统的稳定性和可靠性。

四、个人观点和理解在基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计中，我认为需要充分考虑电机的工作环境和要求，选择合适的控制算法和电机驱动器，并进行合理的硬件设计。

对系统进行充分的测试和验证，以确保控制系统设计的可靠性和稳定性。

专题讲座 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !""# 年第 $ 期% % "#$%&" ’( )*"#+,-$’*+# !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !! " " " " " " 叶金虎 " " （ 中国电子科技集团公司第二十一研究所， 上海 "##"$$ ） " " ’() *)+,-. /0 123+(4)++ *5 6/7/2（ !" ） " " !" #$% % &’ " " （ &’( ") *+,+-./0 12,34353+ 526+. 7897 ， :0-2;0-4 "##"$$ ， 7042-） " " " % % 中图分类号： ’68$9% % 文献标识码： : 由此可以求出理想空载转速 %# ： " 文章编号： 9""& ; <"9$ （ !""# ） "$ ; ""&! ; "9 " C# （ ( , " "(） %# E )# G （ C= ） " <( "( " 二相导通星形三相六状态桥式线路 $! $ " E! " E A( AA /0 # 1 F # $# ! （)） 导通状态分析 " " ! ! （$） 平均电磁转矩 2 /H 的计算 导通顺序： 所谓二相导通星形三相六状态就是 " 3 6 - 4$5 " 三相星形电枢绕组的每一个 " 磁状态由二相电枢绕组同时 式中： 4 @ 4 $ ,42 ". " ( % " "( % ! $ " D ,42 ". 整个一周由六 " 通电所 产 生， $@ " 个磁状 态 所 组 成， " 6# 其导通顺 " " 序为 () # (* # )* # )( # ( , " "( , ! $ " D ,42 ". 则有： 3 6 - 4 $ ,42 ". 7 5" *( *) ()。电枢磁势相 " 6# # # 图 =9% 电枢磁势相量图 " ! ! 在整个状态区间内， 每根导体所受的平均电磁 " 量图如图 =) 所示。 " 转矩 8 6/H 为： ! " 如图 =) 所示。 磁状态角 ! > ? ! > @ 电弧度， $ 9- 4 5" 8 6/H - ・ $ ・ " "! " " 6# 导通角 ! 3 和扇形片张角 ! ,0 ： ! 3 @ ! ,0 @ 电弧 " $ !B! " " C " 度， 分别如图 =" 和图 =$ 所示。 ) ［ （ ( , " "( , ! $ " D ,42 ".） ,42 ".］ 6". " !! ! " % $" C " 9- 4$ 5- $ " $ ( , " "( , ! ・ $ "D ! B ! ! " A 6# ! C A ! ! " 则电动机的平均电磁转矩 2 /H 为： ! " ! " 2/H - A0# 86/H @ ! " 图 =!% 相电流示意图 图 =8% 转子位置传感器示意图 ! " C/0# #$ $ ! " ・（ ( , ""(）, ! $"D ! B ! " ! ! （ " ） 理想空载转速 % 的计算 # ! ! !4 6 # C A ! " 由于每个磁状态均为两相电枢绕组同时通电所 " （ CC ） ! ! " 产生， 所以电动机空载时， ! ! （A） 平均电枢电流计算 ! " 电源电压与两相电枢绕组 ! " 电动机在二相导通星形三相六状态桥式线路的 无" 内的合成反电势平均值相 刷 情况下工作时， 其电枢电流波形如图 == 所示。 直" 平衡。电枢绕组相邻两相 流" 电" 在空间相差 )"# + 电角度， 动" 图 =&% 电枢绕组反电势波形 机" 则其合成反电势的最大值 的 $ 倍， 如图 =A 所示。由此 设" 为某一相反电势最大值的! 计" 可知， 在整个磁状态区间内， 可以得到： （" " !" !B! " C ） " $ $ ) ( , " ( $ " ,42 ".6". - ! " D# （ CA ） " " ! ! ! ! ! D# % &! $ " %C % % % % % % % 图 ==% 电枢电流波形 （ 下转第 AC 页）

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向线路导通顺序的不 同， 它在 突然反转 时情况较为 复杂。现在 以星形三相电枢绕组与非桥式电子换 向 的磁 状 态 （ ， Ｖ ） ０ Ａ／ 由直线 ｏ ０ 线路的组合为例进行分析。 电动机正向旋转时（ 时针方 向） 定子绕组导 顺 ， 通顺序为 一 ； 反向旋转 时（ 时针方 向）定 逆 ， 子绕组导通顺序为 一 。 （ 下转第 ４ ６页）
去磁作用 ， 从而保证它 的运行性能 不会再 随着负载 的变化而变化 。我们把所采取 的这种措施称为“ 稳
无
刷 直 流 电 动 机
定” 通常采用的方法有下面几种 ： ，
（ ）空气稳定 １
永磁体转子在装入定子以前 ，
正反转要求时 ， 永磁体的稳定要采用突然反转的方
法 。对 于无 刷 直 流 电动 机 ， 由于 电路 系 统 中 电子 换

无刷直流电动机功率驱动电路设计
一、概述
无刷直流电动机(BLDC)是一种特殊的直流电动机，其转子上没有刷子
起到对电压的分割作用，主要依靠逆变器来模拟驱动直流电动机的三相交
流电压和频率，从而实现电动机的驱动，相比于直流电动机，BLDC电动
机具有更高的效率、更高的扭矩，更小的体积和更高的转速，由此成为伺
服控制应用的优先考虑的电动机之一
因此，本文关注如何设计一款以BLDC为驱动的电动机功率驱动电路，以达到BLDC电动机的最佳工作效果，下面将首先介绍BLDC电动机的工作
原理，然后介绍功率驱动电路的设计，最后讨论功率驱动电路的原理和特点。

二、BLDC驱动电机工作原理
BLDC驱动电机的工作原理是，逆变器将交流电源的输入转换为正弦
波形的三相电流，经过逆变器的每个通道的低频调制和半桥可控整流组件
输出，将可控直流电压的正弦波输出给无刷直流电机，实现无刷直流电机
的控制以及调速和位置控制。

BLDC驱动电机的驱动电路能够调整电流的强度和相位，以便控制电
机的状态，如转速、加速度和位置，并能够提高电机的效率和功率。

无刷
直流电机在低速下具有较大的转矩，在高速下具有较高的功率。

图 2-1-4 直流无刷电机的组成框图
2.2 直流ห้องสมุดไป่ตู้刷电机的基本工作原理
众所周知，一般的永磁式直流电机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是 在电机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用， 使得这两个磁场的方向在直流电机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最 大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电机为了实现无电刷换相，首先要求 把一般直流电机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流 永磁电机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子 上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场 相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了 由定子和转子组成电机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开 关共同构成的换相装置，使得直流无刷电机在运行过程中定子绕组所产生的的磁 场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad 左右的 电角度。
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相 互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信 号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随 转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转 角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。
4
哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告
时，电流从 V3 流入 B 相绕组再从 C 相绕组流出，经 V2 回到电源，此时合成的 转矩如图 2-2-1（b）所示，其大小同样为 3 Ta。但合成转矩 Tbc 的方向转过了 60°电角度，而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过 60°电 角度，但大小始终保持 3 Ta 不变。图 2-2-1（c）示出了全部合成转矩的方向。

L专题讲座e c t u r e o fs p e c i a l t o p i c 微特电机 2005年第8期 无刷直流电动机的设计(Ⅷ)叶金虎(中国电子科技集团公司第二十一研究所,上海200233)The D esi gn of Brushless DC M otor(Ⅷ)YE J in-hu(No.21Research I nstitute under CET C,Shanghai200233,China) 中图分类号:T M381 文献标识码:A文章编号:1004-7018(2005)08-0042-027无刷直流电动机的正反转无刷直流电动机广泛地用于驱动和伺服系统中,在许多场合,不但要求电动机具有良好的起动和调节特性,而且要求电动机能够正反转。

这里,我们将着重分析无刷直流电动机的正反转原理和具体线路。

7.1无刷直流电动机正反转的原理为了便于分析,我们先讨论有刷直流电动机的正反转问题。

图18给出了有刷直流电动机正反转的原理。

在图18a中,根据磁极下电枢电流的分布,由比奥・萨乏定律可知,电枢将按顺时针方向转动。

如果改变电枢电流的方向,使其产生的电枢磁场与图18a中的方向相反,即转过去180°电角度,如图18b所示,则电枢将按逆时针方向转动。

若保持图18b中的电枢电流的方向不变,而把定子磁场旋转180°电角度,如图18c所示,则电枢又将按照顺时针方向转动。

图18　定转子磁场的相对位置从上面的分析,可以得出这样的结论:对于有刷直流电动机而言,定转子磁场中,只要有一个磁场,而且只能有一个磁场相对其原磁场的方向旋转180°电角度,则电动机就改变其转动方向;若定转子磁场同时旋转180°电角度,则电动机的转动方向不变。

所以,在有刷永磁直流电动机中,改变电源电压的极性,就可以改变电枢电流的方向,从而改变其转动方向,实现正反转,其实际接线如图19所示。

无刷直流电动机的正反转不能通过改变电源电压的极性来实现,然而它正反转的原理与有刷直流图19　有刷永磁直流电动机的正反转线路电动机是一样的。

L 专题讲座e c t u r e o fs p e c i a l t o p i c 2005年第10期 无刷直流电动机的设计（Ⅹ）44　无刷直流电动机的设计(Ⅹ)叶金虎(中国电子科技集团公司第二十一研究所,上海200233)The D esi gn of Brushless DC M otor (Ⅹ)YE J in -hu(No .21Research I nstitute under CET C,Shanghai 200233,China ) 中图分类号:T M 381 文献标识码:A文章编号:1004-7018(2005)10-0044-018永磁体磁路系统的计算磁路系统设计的目的,是在磁钢获得最佳利用的基础上,计算磁钢尺寸,以及在空载和额定状态下工作气隙内每极磁通量,以使为电路计算提供条件。

这里,着重介绍永磁材料的基本持性,无刷直流电动机的磁路结构、等效磁路图、磁铁工作图、磁钢的稳定和最佳工作点的选定等问题。

8.1永磁材料的基本特性8.1.1物质的磁化众所周知,在真空中,若O 点上的磁场强度和磁感应强度之间的关系为B 0=μ0H 0(9)式中:B 0为该点的磁感应强度,H 0为该点的磁场强度,μ0为真空的导磁率。

如果把某种导磁率为μ的介质填充入同一磁场内,虽然磁场强度H 0保持不变,但磁感应强度要发生变化,其规律如下:B =μH 0(10)根据式(9)和式(10),可以求出磁感应强度的增量为ΔB =B -B 0=μH 0-μ0H 0=(μ-μ0)H 0(11)其倍数为BB 0=μH 0μ0H 0=μμ0=μr (12)式中:μr 称为该介质的相对导磁率。

磁化强度J 是表征介质磁化程度的物理量。

众所周知,在介质中的磁感应强度、磁场强度和磁化强度之间,存在着一个普遍的关系式:B =μ0H 0+J (13)同时,根据式(11),有B =μ0H 0+ΔB (14)比较式(13)和式(14),得J =ΔB(15)可见,ΔB 是介质磁化后产生的附加磁场,式(13)表示:一个磁场在介质中产生的磁感应强度,即磁通密度B 等于该磁场在真空中产生的磁感应强度μH 0和介质磁化后产生的附加磁场的磁感应强度ΔB =J 之和。