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微型电机种类及工作原理
微型电机是一种小型化的电动机，广泛应用于电子、通信、自动化控制等领域。
根据不同的工作原理，微型电机可以分为直流电机、交流电机和步进电机三种类型。
直流电机是最常见的微型电机，它的工作原理是通过直流电源产生的磁场作用于电枢上的线圈，从而使电枢转动。
直流电机的转速可以通过改变电压大小和极性来控制。
交流电机的工作原理是通过交流电源产生的交变磁场作用于电
动机中的线圈，从而使转子转动。
交流电机的转速和转矩受到电源频率和电压大小的影响。
步进电机是一种精密的电机，它的工作原理是通过不断变化的电流来使电机转动。
步进电机的控制精度很高，可以实现非常精确的旋转和定位。
除了以上三种类型的微型电机，还有许多其他类型的微型电机，如震动电机、线性电机、有刷电机和无刷电机等。
这些微型电机在各自的应用领域具有独特的优势和特点。
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永磁无刷直流电机的工作原理永磁无刷直流电机（BLDC）是一种电动机，其磁铁是永久磁铁，而不是传统的电磁铁，因此无需刷子来接通电源。
它具有高效、可控和节能等特点，在现代工业中被广泛应用，本文将介绍BLDC电机的工作原理。
1. 基本结构BLDC电机由永久磁铁转子和绕组交替排列形成的定子组成。
由于永久磁铁和绕组均布在转子和定子中，因此又称为“表面装置式永磁无刷电机”。
BLDC电机的定子绕组由三组相位依次排列的线圈组成。
每组线圈部分包围永久磁铁的南北极，当线圈接通电源时，绕组内的电流在磁场的作用下产生力矩，推动转子运转。
换向可以通过改变三组线圈中至少一组的电流方向来实现。
BLDC电机的转速可以通过控制绕组电流的大小和方向来实现，因此BLDC电机的转速控制非常精确。
2. 单向电流型BLDC电机最简单的类型是单向电流型。
在单向电流型电机中，每个线圈有两个电极，交替连接到直流电源的正负极上。
当电流经过线圈时，它会在永久磁铁上产生一条磁场线，使转子和固定的磁铁相互吸引。
当此线圈的电流发生变化时，磁场也将产生变化，导致转子继续转动。
3. 反电势感应型在反电势感应型BLDC电机中，电流的方向是通过电调器进行控制的。
电调器通过持续改变线圈电流的方向来确保转子始终向一个方向转动。
当线圈中的电流变化时，磁场也会变化，产生一个电场。
这个电场会在线圈内产生一个反电势，释放掉线圈中电势能，同时通过电调器返回电源。
由于这种电路将电能从线圈中释放出来，相对于传统的电动机，它能够更加有效地运行。
4. 优点相较于传统的电动机，BLDC电机具有以下几点优点：4.1 高效率BLDC电机相比于传统的电动机，没有了刷子和旋转的电气接触带来的刷阻、铜损和火花的问题，因此它的效率要高得多，这也是其众多优点之一。
4.2 长寿命BLDC电机的使用寿命比传统的电动机长得多。
刷子会随着时间的推移而磨损，从而增加了故障的风险。
但是，BLDC电机不需要刷子，因此不会遇到这个问题。
小功率永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究摘要永磁无刷直流电动机是把电机、电子和稀土材料的高新技术产品发展紧密的结合在一起的新型电机，它具有单位体积转矩高、重量轻、转矩惯量小、控制简单、能耗少和调速性能好等优点，因而在航天航空、数控机床、机器人、汽车、计算机外围设备、军事等领域及家用电器等方面都获得了广泛的应用。
因此，设计性能优异的永磁无刷直流电机具有重要的理论意义和应用价值。
本论文系统的研究了35w小功率永磁无刷直流电机的本体设计，包括设计方法、有限元分析、性能计算、软件仿真等。
本文主要的研究内容如下：1、综述了永磁无刷直流电机的研究现状、存在问题和发展前景，分析了永磁无刷直流电机的基本理论。
2、建立永磁无刷直流电机的数学模型，先利用解析法对该电机进行电磁设计，然后利用有限元法对电机进行优化。
3、基于星形连接三相三状态的控制电路，利用Infolytic公司的MagNet电磁场分析软件建立了永磁无刷直流电机的有限元分析模型，仿真分析其静态气隙磁场分布及动态带负载时的电机特性。
并将软件仿真所得结果与设计计算结果进行比较分析，验证了设计方法的正确性。
关键词：电机设计，无刷直流电动机，有限元分析，稳态特性第一章绪论1．1永磁无刷直流电动机的发展状况永磁无刷直流电动机是一种新型的电动机，其应用广泛，相关技术仍然在不断的发展中，该类电动机的发展充分体现了现代电动机理论、电力电子技术和永磁材料的发展过程。
其中，永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器等的快速发展对永磁无刷直流电动机的进步功不可没。
1821年9月，法拉第建立的世界上第一台电机就是永磁电机，自此奠定了现代电机的基本理论基础。
十九世纪四十年代，人们研制成功了第一台直流电动机。
1873年，有刷直流电动机正式投入商业应用。
从此以后，有刷直流电动机就以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，占据了极其重要的地位。
随着生产的发展和应用领域的扩大，对直流电动机的要求也越来越高。
New Scale是美国专业超小型运动制造商，创造出了世界上最小的直线电机-SQUIGLE 超声波压电陶瓷电机以及TRACKER （TM）定位传感器。
超声波压电式电机的产品特点：1.超微型尺寸2.低能耗，低电压驱动3.具有断电位置保护功能4.驱动力：>5N5.行程可达50mm6.速度从1um/s到10mm可调7.精度最高20nm8.无磁性，有真空型和低温型产品New Scalede TRACKER （TM）定位传感器世界上尺寸最小、分辨率最高的定位传感器，内部整合了一个磁感探测器及op-chip位置编码器。
产品特点：1.最小的体积：芯片尺寸：3.9*2.5mm2.精密的非接触感应：0.5um精度，<2um重复度3.传感器和编码器集成在一个封装中4.直接数字输出（I2C总线），不需要脉冲计数器5.对光、粒子、震动不敏感，没有安装限制6.绝对一流的性能：零基准，自动增益，自动偏置一.SQL-RV-1.8SQUIGGLE 降压直线驱动系统特点：1.小，2.8 x 2.8 x 6 mm, 高性能电机提高45% 速度减少40% 功耗推力几乎是SQL-1.8 电机的 2 倍亚微米的定位精度2.工业上最小的压电驱动方案比同类产品小 5 倍1.8 x 1.8 mm 驱动IC3.工业上第一个 2.3V 直流供电的直接IC 输出智能专用控制IC无需升压应用：电池供电的手持设备手机摄像头数码相机和数码摄像机微型医疗制动器机器人，无人机和安防运动稳定系统微型光学模块微型电子锁精密工业和科研仪器世界上最小的线性电控系统SQUIGGLE 降压微型电机和NSD2101驱动ASIC（专用集成电路）组合在一起成为世界上最小的直线压电运动控制系统，性能可与更大的系统相媲美。
最先进的多层压电技术，结合先进的智能集成电路设计和正在申请专利的控制算法，创造了具有无与伦比性能的直线运动控制系统。
新RV系列具有专利技术的超声波压电电机和驱动器，创造了多个行业第一，包括：1.2.3V直流电池输入驱动芯片，无需外加升压电路。
第10卷 第1期2006年1月 电 机 与 控 制 学 报ELECTRIC MACHINES AND CONTROL Vol110No11Jan.2006
一种微小型永磁直流直线电机王坤东, 颜国正(上海交通大学电信与电气工程学院820所,上海200030)
摘 要:针对永磁直流直线电机的微型化问题,提出了近似拼接的设计方案,优化了结构参数,并加工出样机进行了试验。在尺寸所限下,该电机使用多个长方体永磁块拼接的正八边形来近似逼近全径向磁化管形磁铁励磁。利用有限元分析软件MaxWell910优化了气隙和磁铁厚度等结构参数。对样机进行了试验分析,结果表明电机驱动力和电流呈线性关系,在整个行程中,输出力均匀,
驱动力在电流01004A时可达0172N,线圈温度在5516°C。关键词:微小型;永磁;直线电机;有限元优化中图分类号:TM351文献标识码:A文章编号:1007-449X(2006)01-0070-04
AminiaturepermanentmagnetlinearDCmotorWANGKun2dong, YANGuo2zheng(SchoolofElectricalandInformationEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China)
Abstract:ThispaperpresentedamethodbasedonjointedpermanentsforminiatureofDClinearmotor.Structuralparameterswereoptimized.Prototypewasmanufacturedtomakesomeexperiments.Undertheconstraintofmicrodimension,severalrectangularpermanentmagnetswerejoinedtobeoctagon,whosefieldapproachesthefiledoftube2shapedpermanentmagnetizedatradialdirection.BasedontheFEAsoftwareMaxWell910,thestructuralparameterssuchasdepthofairgapandpermanentmagnetwereop2timized.Thecharactersofmotorareanalyzedthroughexperiments.Researchdemonstratesthatdrivingforceisproportionalwiththecurrent,anddrivingforceisstableinthewholestroke,anddrivingforcereaches0172Nwhenthecurrentstrengthis01004A,andthetemperatureofcoilrisesto5516°C.Keywords:miniature;permanent;linearmotor;FEoptimism
收稿日期:2004-10-21;修订日期:2005-06-15
基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2001AA422210)作者简介:王坤东(1978-),男,博士研究生,研究方向为微型特种机器人;
颜国正(1960-),男,博士后、教授、博士生导师,研究方向为特种机器人、仿生机械。
1 引 言在微小空间进行作业的行走机构,如工业细小管道或人体消化道的检测机器人等,要求直径在10～15mm之间,同时对驱动技术也提出了新的要求,如驱动力大、控制方便、可靠等[1,2]。微型旋转电机受尺寸的限制,加上将旋转运动变为直线运动的中间机构也占有一定空间,因此将外形尺寸控制在直径为10mm以下比较困难[3]。压电驱动器行程较短,一般都是在μm量级,存在如何将位移进行放大的问题,而且驱动力很难控制[4]。形状记忆合金驱动器由于记忆合金的加热变形—冷却回复的时间较长,因此速度较慢[5]。直线电机是近年来出现的一种新型驱动技术,它将电能直接转换为直线运动的机械能,不需要运动转换的中间机构,因此结构尺寸上能够进一步减小。直线电机种类繁多,其中永磁直流直线电机由永磁励磁,结构简单,控制方便。从现有的产品看,还没有出现直径在10mm以下的圆
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net桶形直流直线电机[6]。尺寸的限制对于获取较大的输出力是极为不利的,为此必须采用合理的磁路结构,即漏磁尽可能小,线圈尽可能充分利用。采用全径向磁化的管形磁铁可以做到这一点,但是尺寸微小的管形磁铁在全径向充磁时存在技术困难。本文提出了一种新的结构可弥补上述不足,并对结构参数进行了有限元优化,制造出了样机。2 电机结构图1(a)为该电机的结构示意图。在该结构中,永磁块4产生的磁通经过导磁筒5、左端盖2(右端盖6)、铁心7、空气隙闭合。在空气隙中产生近似径向辐射方向的磁场,处于其中的线圈绕组3通直流电时,在电磁力作用下线圈绕组3沿铁心7向一端运动。反向通电则向另外一端运动。运动和驱动力通过动子骨架1的输出板输出到电机外部。图1(b)为永磁块4在导磁筒5中的安装示意图,所有永磁块4均匀镶嵌在导磁筒5的槽内,形成正八边形来近似逼近全径向充磁的管形永磁体。3 电机结构的有限元分析气隙磁场是永磁提供的磁场和绕组磁场的叠加,且气隙厚度相对于磁体的尺寸在一个数量级上,因此传统的磁路理论用来计算永磁电机,准确到5%已属不易,数值计算可以达到较高的精确度[7]。有限元分析是一种比较成熟的数值方法,本文采用的是美国Ansoft公司推出的MaxWell,它具有较强计算能力。311 磁场形态分布的计算在MaxWell9103D上进行建模分析,如图2所示。模型中隐藏了其中一个端盖。空气的磁导率和真空很接近,所以周围环境指定为真空。永磁体使用钕铁硼永磁材料,除线圈为铜外,其他零件材料为电工纯铁。图3为B分布图,箭头所指为B的方向,长短表示B的大小。其中,图3(a)为纵向中切面
(经过轴线的平面)上的磁力线分布,可以看出,永
磁块发出的磁力线一路经过导磁筒、右端盖、铁心、气隙后回到永磁块形成闭合磁路,另外一路与其对称。B线在空气隙中的两端有稍微的倾斜,在中间的大部分空间上是沿径向的,而且呈现出中间较强两端较弱的分布。图3(b)为横向中切面(和轴线垂直并位于轴线中点的平面)上的磁力线分布,可以
17第1期一种微小型永磁直流直线电机© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net看出,磁力线经过空气隙总体方向朝外,并非呈完全的辐射状,说明这种近似和全径向还是有一定差别。312 电机结构参数的优化本结构的各种结构参数如图4所示。如果根据工作空间要求电机的半径R和长度L给定,要确定出合理的电机结构参数,包括导磁筒的壁厚d、永磁体的厚度h、空气隙厚度δ以及铁心的半径r,目的是得到最大驱动力F。在加载电流一定的条件下增加永磁块的体积、增大线圈绕组的匝数以增大驱动力。对于导磁筒的壁厚d应该是尽可能的小,这样可以有更多的空间留给永磁块和绕组,但是作为电机的支撑结构还要保证其有一定的刚度避免变形,另一方面应避免材料的饱和磁化。使用电工纯铁加工该零件,最小厚度d=014mm可以保证刚度。钕铁硼永磁材料质硬难以加工,而且一般的加工方法会使其丧失磁性,因此使用市场上可以买到的成品,其厚度h可以选定。由以上可知,空气隙厚度δ和铁心半径r之和为常数,因此确定其中之一即可。对于空气隙,如果其偏大则在其间形成的磁场可能很弱,但是可以放置较多匝数的线圈,反之亦然,这两者对于增大驱动力F是一对矛盾的因素,需要确定合适的气隙厚度δ。改变空气隙厚度,使用MaxWell910计算驱动力,结果如图5所示。在图5中空气隙厚度为111mm附近得到最大电磁驱动力,因此将空气隙的厚度确定为111mm。
4 样机及试验分析使用精密加工技术加工出的直线电机样机。样机外形为圆柱形,规格为直径为11mm,长为15mm。导磁筒内侧可以镶嵌永磁块,排列成正多边形。在动子骨架上使用手工绕制线径为0107mm的漆包线来制作线圈绕组,同时在动子骨架上加工一些小的结构以方便力和导线的输出。411 电机驱动力和电流的关系施加不同的电流测量电机的驱动力,得到电机驱动力和电流的曲线如图6。在不同的电流下对模型进行有限元分析,得到电机驱动力的计算值和电流的关系如图6。两者对比可看到,驱动力和电流呈线性关系,但是由于测得的驱动力受线圈骨架和铁芯间摩擦力和粘滞力的影响,比计算值偏小。
412 驱动力在线圈绕组行程上的变化在0108A和0106A的电流水平下,使线圈绕组保持在其行程的不同位置测量电机的输出驱动力,
得到的实现曲线如图7所示。从图7可以看出,在不同的位置驱动力是有差别的,但基本上是平衡在某一个值附近。413 电机温升试验利用线圈的电阻在温度升高后相应升高的关系来确定线圈的温度。测量冷却时线圈的电阻R
e=
2810Ω,当前室温te=2415℃,通电30min,
断电后测
量线圈电阻。采用外推法求取断电瞬间线圈的电阻,即断电后每隔固定时间测量一次,在电阻-时间
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