无刷直流电动机设计.doc

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1、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

2、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

3、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

4、，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较大;但是目前市场上的电动自行车还或多或少存在一些不够完善的地方。使用有刷直流电动机容易解决电压的换向问题，但是噪音大，而且碳刷容易磨损、损坏，增大维护、维修难度、增加使用成本;使用位置传感器，容易解决直流无刷电机换向时，转子的位置检测，但是增大了电机的设计、制造、安装的难度和电机的体积，也增加成本。 因此，本课题主要任务是利用现代电力电子

5、技术来解决无刷直流电机换向问题，从而解决电动自行车控制、驱动中不完善的地方。 本论文主要内容包括: l、介绍了无刷直流电动机的主体结构和具体工作原理，在给定的技术要求的基础上设计作了电机电磁设计，位置传感器选择，驱动系统设计用到了较先进的PWM控制等工作。 2、根据查阅的各种相关资料，对电动自行车的最新发展动向进行了简述，并在此基础上对电动自行车用电机的发展进行了展望和对研究中要注意的问题作了简要总结。目 录摘 要 Abstract第一章 绪论51.1 无刷直流电机在电动自行车上的应用概况51.2简易发展史和原理方框51.3电动自行车用永磁电机的性价比因素61.4设计方法初探7第二章 自行车用

6、无刷直流电动机的结构和原理基本设计92.1无刷直流电动机的基本结构92.2.1电动机的本体102.2.1位置传感器102.2.1电子换向线路162.2无刷直流电动机的原理与基本设计162.2.1无刷直流电动机的工作原理162.2.2电枢绕组的连接方式192.2.3换流线路基本设计202.2.4绕组连接方式、相数、槽数的选择202.2.5位置传感器的设计222.3无刷直流电动机的运行特性232.3.1无刷直流电动机系统的组成232.3.2系统方程式242.3.3运行特性分析262.4 电动自行车用电动机简易数学模型26第三章 无刷直流电动机的电磁设计293.1磁路系统的设计303.1.1磁路结构

7、与等效磁路图303.1.2磁钢的最佳工作点与稳定方法313.2电枢反应333.3.1直轴电枢反应333.3.2交轴电枢反应343.3.2电枢反应总结353.4电磁设计程序清单35第四章 自行车用无刷直流电动机的电子线路设计444.1设计概述444.2线路基本工作原理454.3线路设计实施方案45第五章 有待深入解的几个问题505.1转矩的脉动的分析515.2最佳换向问题515.3更佳的无位置传感无刷电机简述525.4一个先进的控制算法525.5控制系统电路抗干扰问题52致 谢54参考文献56附录 A 无刷直流电动机总装图 B 定子冲片图 无刷直流电动机的设计摘 要：无刷直流电动机是近年迅速兴起

8、的一种新型电机，它广泛应用与工业，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对新型电动自行车的关键动力部件-直- I -流无刷电机作了深入的剖析与设计。本文所介绍的电动自行车使用的直流无刷电机，采用电子操纵系统，电动自行车的最高时速可达25km/h，一次充电行程为64km。电电机的功率为220kw，得6kg,效率可达到85,有更小的损耗和杂音.本文提到的电机是方波无刷直流电机，所以也涉及到了其PWM控制器的设计。性能综合指标优于传统的以有刷电机为动力的电动自行车。 关键

9、词：无刷电机；位置传感器；PWM控制器The design of D.C.Motor without coal brushless 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

10、commutator is removed as well in brushless DC Motors.This paper intends to make a better design on the D.C.motor, the key part of the new style electric bicycle, after the detailed analysis. The D.C.motor without coal brushless is in a new style, with higher work rate, less wear and tear and lower n

11、oise. This kind of motor discussed in this paper, is operated with electronic system completely, in the speed of 25km per hour, covering the distance of 64km each time it is charged. The motor is 6kg in weight, with the power of 350w and voltage is over the normal levels in the rate close to 85. Thi

12、s kind of motor discussed in this paper also a brushless DC square wave motor. So the design method of controller is also introduced, The comprehensive index of the functions of this kind of motor is much better than of all the traditional ones with coal brushes. Keywords：Brushless Motor; positional

13、 sensor; PWM controller 第一章 绪 论1.1无刷直流电机在电动自行车上的应用概况随着我国改革开放的深入和社会生产力的发展，人们生活节奏的加快，活动范围的不断扩大，人们希望获得一种轻便快捷、简单安全的交通工具。前几年，人们选择了燃油助动车，但由于燃油助动车采用小容量二冲程汽油发动机为动力，其废气排放浓度是一般轿车的35倍，其污染问题引起了社会各界和主管部门的高度重视。在上海、苏州等大中城市，于1996年便开始禁止燃油助动车上牌照。而电动自行车因为轻便、快捷，适应了现代人追求环保、效率、安全的需要，所以受到了广大消费者的普遍欢迎，得以再度兴起。 1998年我国电动自行车的年

14、产量约 6万辆 1999年产量翻番达到 13万辆，主要生产集中在华北地区。进入2000年以来，不少地区的销售情况也十分喜人，市场前景广阔。电动自行车并不是简单地在自行车上加上电池和电动机，而是包括电池、控制系统、传动系统、电机四大块，并已采用了很多的新技术和新材料。单从其驱动装置电机来看就有很高的技术含量。电动自行车的电机经过十多年的发展，曾经有变频电机、开关磁阻电机、有刷直流电机、无刷电机等多种驱动方案。经过市验证目前较为成熟的有两大类：一类是带减速齿轮的有刷电机，别外一种是不带减速齿轮的直接驱动的无刷直流电动机。在本文中我们主要讨论比较先进的后一种电动自行车的驱动方案：不带减速齿轮的直接驱

15、动的无刷直流电动机。12 简易发展史和原理方框直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起未的，它是以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电于技术、数字技术和各种机械原理为后盾，因此具有很强的生命力。1955年，美国 D哈利森等人首次申请用晶体管换向电路代替电动机电刷接触的专利，即无刷直流电机的雏形。经过多年的努力，人们终于在 1962年试制成功了借助霍元件来实现换流的直流无刷电动机。随着比霍尔元件灵敏度高千倍左右的光敏二极管的出现，在20世纪80年代前后，又试制成功了借助光敏二极管实现换流的直流无刷电机。在德国N米斯格林提出采用电容移相换流的方法基础之上，R哈尼特司等人试制成功借助数字式环

16、分配器和过零鉴别器组合来实现换流的无附加位置传感器的直流无刷电动机。 稀土永磁无刷电动机效率高，性能好，体积小，重量轻，安全可靠，无需维修，寿命长，因而已经被广泛地应用在数控机床、航空航天、计算机外围设备等高科技领域中。现代的无刷直流电动机，其构造实际上是1台永磁式步进电动机(一种水磁式同步电动机)。其转子是由永久磁铁组成，定子上存在着多相绕组，可见，无刷直流电动机就其基本结构系统而言，主要包括永磁电动机本体、控制电路和位置传感器三部分组成，其原理方框图如图1.1所示。由此可见，无刷直流电动机的性能价格比主要由上述三部分决定。直流电源控制电路永磁电机位置传感器图1.1 电动自行车的发展离不开其

17、所采用的核心驱动元件电机的发展，电机是电动自行车发展的主要标志。第一代电动自行车使用的是有刷高速绕组式电机，电机的转速达3000转左右，通过齿轮减速，其噪音大，效率低，故障率高；第二代电动自行车使用的是有刷低速电机或有位置传感器的无刷电机，其噪音、故障率有所下降，效率有所提高，但维护、安装难度还是比较大；第三代电动自行车使用的是无刷无位置传感器的稀土永磁电机，其噪音小，效率高，维护、安装都比较方便。目前，国内市场上电动自行车使用的电机有三种：有刷电机、有位置传感器无刷电机和无刷无位置传感器电机。1.3 电动自行车用无刷电机的性价比因素A电动自行车是一种商业产品，所以不管是生产者还是消费者必不可

18、少的要考虑到它的性价比。 永磁电动机本体的性能价格比主要由所选用的永磁材料本身的性能价格比和无刷电动机磁路结构设计和工艺的合理性决定。由于高性能永磁电机所用的稀土水磁材料的成本约占电机总成本的50左右，因此在永磁电动机磁路结构设计时，如何充分发挥所选用的永磁材料的作用，提高它的利用率成了最重要的问题。其次稀土水磁材料是由磁性粉末压制烧结而成，质脆难以精密加工。稀土永磁材料构成的零件结构越复杂，就越难以加工、粘接和磁化。因此在永磁电机结构设计时，要考虑到水磁材料零件结构形状要便于加工、粘接和磁化。这些对永磁电动机本体的性能价格比都有很大的影响。 B永磁无刷电动机一个大的原材料部份就是所用到的永磁

19、材料，其对电机的性价比也有很大的影响 。我国是稀土大国，资源丰富。稀土永磁材料磁性能优越，用于制造电机可以大幅度地提高电机效率，节约能源，可以大大减少电机的重量，提高电机的运行性能，简化电机结构，提高电机运行的可靠性。这就是无刷电机优越性所在。我国研究的稀土水磁材料在最大磁能积方面已达到国际先进水平，生产能力已超过干吨，目前已能正常批量生产工作温度为120-150甚致更高的钻铁硼永久磁铁。防腐技术已经基本解决，成品交货价格大约300无从6元左右，但与国外相比，仍存在较大的差距，主要是我国生产的铁钕硼水磁材料的热稳定性的抗氧化性尚未彻底解决。生产径向磁化磁密均匀分布的高性能磁铁技术还未过关，目前

20、我国只能生产高磁性能的平板块状磁铁和环形轴向磁化的磁铁。而且批量生产的永磁材料产品磁性能还不稳定，分散度大，国家有关职能组织还未制定出有关稀土水磁材料性能指标和测试方法的统一标准，因此水磁材料的质量难以保证，因而影响水磁电机质量的稳定性。 C电机的制造工艺性影响到电机的制造过程，进而影响到电机的成本。永磁电机磁路结构设计对于是否充分利用所选用永磁材料的磁性能和便于永磁材料零件的加工、粘接与充磁，提高水磁电机的性能价格比是至关重要的。因此在设计无刷水磁电机时要充分考虑到上述两点。目前我国水磁材料生产厂家只能提供高磁能积单向磁化的块状磁铁和环形轴向磁化的磁铁。高磁能积单向磁化的块状磁铁在盘式无刷电

21、机磁路结构中既可以得到充分利用，又便于加工、粘接和充磁，无刷电机本体的性能价格比最高。1.4 设计方法初探无刷直流电动机具有良好的性能，用途广泛，在各种不同场合下使用，对电机和驱动器均有不同的要求。要满足不同的要求，就要有正确的设计方法。由于无田直流电动机是要机电一体化的，电机的设计要考虑电枢绕组与换向驱动的组合方式以及位置传感器形式，然后才能对电动机的磁路和电路系统进行合理设计。驱动器的设计要以电机的电流，电感等参数为依据。同时满足工作稳定可靠，线路功耗小，寿命长等要求。 采用的方法：磁路计算仍采用场化为路的经典法，电路计算时作了如下假设(a)认为由转子磁钢产生的气隙磁场是按正弦波分布的对于

22、气隙中某一固定点，在电动机旋转时该处磁密在时间上按正弦规律变化， （b)忽略电枢绕组的电感。这对分析由直流源供电的小功率无刷直通电动机是可行的，而分析由逆变器供电的大功率无刷直流电动机则误差较大，尤其是对于气隙磁场分布接近方波及方波电压驱动的无刷直流电动机设计分析，若仍沿用上述方法，其计算结果和实际相差甚远。1)大功率无刷直流电动机绕组电感大小对电枢电流，电磁转矩影响较大，尤其是高速无刷直流电动机，绕组电感会使电机机械特性客观感、呈现下凹曲线，呈非线性。因此，在电机设计时，不能忽略电感影响；2)逆变器供电的无刷直流电动机为了消除转矩脉动，希望使气隙磁场分布波形180度，不过这是做不到的，只可能

23、是尽可级的接近180度。3）大功率无刷直流电动机除采用直流电机设计法外，还可用交流同步电机理论和设计方法对其进行分析，这是因为无刷直流电动机本体是一台永磁同步电机，采用同步电机理论分析中的矢量方法，可反映出无刷直流电动机本身的一些内部特性，从而可得到功率因数 定子漏抗、交、直轴电抗等参数。4）对于方波驱动的无刷直流电动机，计算电枢电流，电磁转矩等性能时，可以利用电机稳态运行时的周期性，在某一换向周期内，对应具体的驱动方式建立正确的数学模型，并采用计算机仿真计算上述几种方法设计无刷直流电动机各有特点，直流设计法最简单，人们也很熟悉。交流设计法可得到直流设计时无法得到的一些电机参数，为驱动控制线路

24、提供必要的参考。计算机仿真计算可以精确地计算电流、转短、转速等性能参数，计算模型比较接近电机实际运行状况。因此，这三种设计方法是可相互补充，在实际应用中，根据不同的研究对象、选择不同的设计方法来达到所要求的参数，并通过样机实测，完善设计方案。第二章 自行车用无刷直流电动机的结构和原理2.1 无刷直流电动机的结构 众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢、和固定的磁场 。因此，有刷直流电动机必须有一个滑动的接触机构-电刷和换向器，通过它们把电流反馈给旋转着的电枢。无刷直流电动机与前者相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路中的开关元件，如晶体管或可控硅等可与电枢绕组连接。另外，在电动

25、机内，装有一个位置传感器用来检测主转子在运行过程中的位置。它与电子换向线路一起，代替了有刷电机的机械换向装置。综上所述，无刷直流电动机由下列三大部分组成（1） 绕组的定子和永磁转子（2） 位置传感器（3） 电子换向线路图（2.1）是无刷直流电动机的组成方框图无刷直流电动机电动机本体位置传感器电子换向线路主定子主转子传感器定子传感器转子电子换向线路图（2.1）2.1.1 电动机本体无刷直流电动机是由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的本体主要是有主定子和主转子构成。主定子是电动机本体的静止部分。它是由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、

26、引出部分等组成，如机壳、绝缘槽楔、引出线及环氧树脂等。主转子示电动机的本体转动部分，是产生激磁磁场的部件。它是由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。它们首先必须满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中能够产生足够的磁通。电枢绕组允许通过一定的电流，以便产生一定的电磁转矩。其次就是要满足机械方面的要求，保证机械结构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能够经受一定环境的考验。此外，还要考虑到节约材料、结构简单、紧凑、运行可靠和稳升不超过规定的范围。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机转子由钕铁硼永磁材料构成。在定转子形成的气隙中产生N-S极相间的方波或正弦波磁场。

27、为了使电动机绕组准确换向，在电动机内装有位置传感器，作为转子极性的位置信号。无刷直流电动机的机构简图如下所示: 图（2.2） 无刷直流电动机机构简图2.1.2 位置传感器 无刷直流电动机和普通直流电动机一样，其转矩的获得也是通过改变相应电枢绕组在不同极下的电流方向，从而使转矩总是沿着一个预定的方向。为了实现这一点，必须有位置传感器，传感和确认磁极和绕组之间的相对位置。无刷直流电动机和普通永磁直流电动机不同，其永久磁铁磁极安放在转子上，电枢绕组安放在定子上。绕组电流的导通与截止是通过与绕组相连接的功率晶体管的导通与截止去实现的。而功率品体管的导通与截止是由位置传感器信号控制的。因此要求位置传感器

28、的位置和电枢绕组的位置之间具有严格的对应关系。以保证功率晶体管在正确的转子位置时导通与截止。显然，位置传感器及其处理电路是驱动控制电路的关键部件。早期的位置传感器也是接触式，它的构简单，紧凑，用于结构比较简单的场合，对于它的前辈们（有刷直流电机来说） 这是一个很大的创新，有刷电机由于电刷而不要避免的存在着缺点，电刷与换向片接触容易磨损，电刷工作时上面有较大的电流通过会生火花， 这些影响到电机的工作稳定性和使用时限。而早期的位置传感器把有刷电机的大电流的直接接触（电源通过电刷、换向器的接触而加到电枢绕组中去）变为小电流接触，然后通过放大而把电源加到电枢绕组中去。但是，这种结构仍然存在机械接触。所

29、以在电动机工作上行个小时后，传感器由于接触次数的上升还是发生较大的磨损。而且，这种位置传感器不便维修，所以，它的使用范围受到了限制。无接触式的位置传感器由于是在真正意义上面做到了无机械接触的存大所以可以弥补上面的不足。位置传感器和电动机的本体一样，也是静止部分和运动部分组成，即位置传感器的定子和位置传感器的转子，位置传感器的种类很多，这里先以较常用的磁电式位置传感器作为典型来分析：磁电式位置传感器的定子：磁电式位置传感器定子是由磁芯、激磁线圈、输出线圈和罩壳等组成。 磁电式位置传感器的转子：这种位置传感器转子由导磁材料（铁芯）和非导磁材料（衬套）组成。磁芯材料与位置传感器定子的磁芯材料相同。非

30、导磁材料为铜或者环氧树脂等，铁芯一般为扇形。位置传感器的分类：一般可分为光电式 磁敏式 接近开关式 谐振式 高频耦合式在本次的电动自行车的位置传感器我们用到的是利用磁效应原理来作用的霍尔传感器。a霍尔元件： 位置信号是霍尔元件拾取的。它是一种半导体器件，采用锑化铟(Insb和砷化镓(CaAs)材料，利用霍尔效应制成的。其工作原理如下图所示。如果某一薄片半导体中电流Ic如图所示沿某一方向流动，在垂直薄片的方向上有一磁密B穿过，那么在与电流Ic和磁密B构成的平面相垂直的方向上会产生一电动势E，这种效应称之为霍尔效应。其原理图如下：图（2.3）霍尔效应原理图霍尔效应的极性取决于半导体材料是P型还是N

31、型，其电动势大小可由下式计算。E=RH (2.1)RH= (2.2)式中：RH霍尔系数（m3/C） IH控制电流（A）B 磁感应强度（T） 材料电阻率（m）当磁感应强度B和霍尔元件的平面法线成一定角度，实际上作用于霍尔元件的有效磁场是其法线方向的分量cos,此时霍尔电势为： E=KHIH cos 其中KH= (2.3)式中RH是霍尔系数，IH是控制电流(A)，B为磁通密度(T)，d是半导体材料厚度(cm)。当磁密B和霍尔元件的平面不相垂直而存在一定角度时，霍尔电动势的公式相要相应的进行变化。上述霍尔元件所产生的电动势很低，在应用时往往要外接放大器，很不方便。随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件

32、与半导体集成电路一起制作在同一块硅外延片上，这就构成了霍尔集成电路。原理简图如下：ABd图(2.4a) 霍尔集成电路由式（2.3）可见，当霍尔元件在磁场中的位置发生变化时，霍尔电动势的大小和方向也将发生相应变化。从而起到传感位置的作用。由霍尔元件输出的仅仅是微弱的电动势信号，该信号还不足以驱动控制电路，必须由外加电路进行放大处理。目前通常将霍尔元件和有关的电子电路集成制作在同一芯片上，构成霍尔集成电路。 形状大小与小型的片状晶体管相似。在无刷直流电动机中通常选用开关型霍尔集成电路，其电路原理如图(2.4a)所示。电路由三端电源稳压电路A，霍尔元件B，差动放大器C，施密特触发器整形电路D以及集电

33、极开路(OC)输出级E几部分构成，输出为方波的开关信号(2.4c)为该电路的输出特性。工程中希望B111l、BL11,BH值尽可能小些，这样以便对碰钢性能降低要求从而在电路运行时高低电平占空比更趋一致，以达到提高电机性能的目的。 UBH O BH-L BL-H B 图(2.4c) 输出方波的开关信号b.霍尔位置传感器的分类： A.按结构分类 霍尔传感器按其结构可分为霍尔元件、霍尔集成电路和霍尔功能组件三大类。B.按功能分类 霍尔传感器按其功能和应用可分为线性型、开关型、锁定型三种。 (a)线性型 线性型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、输出级等部分组成。输人为线性变化的磁感应强度，得

34、到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁场测量、非接触测距、黑色金属检测等。其输出特性曲线如图（2.5）所示。 图（2.5） (b)开关型 开关型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输入为磁感应强度，输出为数字信号。图5是其输出特性曲线。这种开关的导通和截止过程只和外界磁感应强度的大小有关，而不需要磁场极性的变换。它的磁滞回线相对于零磁场轴是非对称的。图（2.6）显示了这种开关电路框图和在交变磁场作用下的输出特性：调节器调节器图（2.6） 交变磁场下的输出特性(c)锁定型 锁定型传感器同样也是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器、输出级等

35、五部分组成。 锁定型传感器实质上也是一种开关型器件，与一般霍尔开关的差别在于，它是由双磁极激发的。c.位置传感器的基本功能 位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数。也就是说电动机传感器的永磁转子每转过一对磁极(N、S极)的转角，就要产生出与电机逻辑分配状态相对应的开关状态数，以完成电动机的一个换流全过程。如果转子充磁的极对数越多，则在360。机械角度内完成该换流全过程的次数也就越多d.霍尔位置传成器的设计 霍尔位置传感器的设计可分为定子设计和转子设计。定子设计主要是确定霍尔元件的数目和它们之间相互间隔的位置角度以及安装的位置。转子设计主要是确定充磁的极对数。定

36、子设计 (a)霍尔元件数目的确定 开关型霍尔传成器是一个双值元件。一个双值元件仅有“o”和“1”两种状态，两个双值元件便有四个状态，而n个双值元件则可组成2的n次方个状态。按照这样的规律，我们可以根据电动机的分配状态数确定所需霍尔元件的最少个数。例如二相导通三相六状态的电机，在一个电周期内需要六个不同的状态，二个霍尔元件产生不了六个状态，因而所对应需要的霍尔元件数起码是三个。而五相十状态电机，所需的霍尔元件数起码是四个。 但是，上述规律仅仅是从理论上考虑一个多位双值系统能构成多少个不同的状态，只能为我们在确定霍尔元件的个数时提供一个大致的范围，最后还必须使用上节所述的波形组合法，才能最终确定一

37、个实际的位置传感器需要多少个霍尔元件。 (b) 霍尔元件相隔的位置角 首先把每个霍尔元件所产生的波形等分成电动机所需要的逻辑分配状态数，然后把它们相互留开一定的位置角后组合在一起，倘若最终能产生所要求的开关状态数这个位置角就是可取的。如果分配状态是单数的话，可以把该数乘以再按乘2后的数进行等分。转子设计 霍尔位置传感器的转子可以直接利用电动机的主转子，也可以和主转子分体安装。如果分体安装，那么其充磁的极对数一般设计成和电动机的主转子一样，以确保换向节拍和主转子磁极处在换向位置的时间是同步的。这样可提高平均转矩，同时降低转短的波动值。霍尔传感器是名目繁多的传感器中重要的一个家族，因其具有稳定、可

38、靠，频率响应宽、体积小，结构牢固，易于安装等优点，目前已越来越多地被用于无刷直流电动机中。霍尔位置传感器的设计可以采用波形组合法，其构成的方案并非是唯一的，但是只要能满足上述条件，就可以作为无刷直流电动机的位置传感器。2.1.3 电子换向线路 电子换向电路和位置传感器相配合，起到与机械换向器类似的作用，所以，电子换向电路也好似无刷直流电动机实现无刷接触换向的一个重要组成部分。电子换向电路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调，预放大，功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序馈电，保证电动机的可靠运行。一般来说，对电子换向电路的基本要求是：A） 线路简单；B） 运行稳定可靠

39、；C） 体积小，重量轻；D） 功率损耗小；E） 能够按照位置传感器的信号进行正确换向，并能控制电动机的正反转；F） 能够满足不同环境条件的要求；2.2 无刷直流电动机的原理与基本设计2.2.1无刷直流电动机的原理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。 就它们内部发生的电磁过程来说，本质上没有多大差别。因此，不妨先介绍一下有刷直电动机的工作原理。有刷直流电动机主要由静上部分磁极体，转动部分电枢以及电刷和换向器成，N，S极为磁极体，线圈abcd组成电枢，电刷A，B和换向片I，II组成机械换向机构。当接上电源后，电流I从电刷A流进去，经过换向片I，线圈abcd到换向片II，然后由电刷B

40、流出。根据比奥.萨乏定律：如果磁场中有一载流导体，且导体与磁场方向相互垂直，则作用在载导体上的电磁力应为:f=IBL (2.4) 式中I-流过导体的电流 B-磁通密度 L-载流导体的有效长度这个力形成了作用在线圈上的电磁转矩。根据左手定则。线圈在这个电磁转矩的作用下，将按逆时针方向雷动。当载流导体转过180电角度后，电流I还是从电刷A进去，经由抽向片II，线圈dcba,到换向片I，最后仍从电刷B流出。可见，在有刷直流电动机中，就是借助电刷-换向片中，使得在某一磁极下，虽然导体在不断更替，但只有外加电压的极性不变，由导体中流过的电流方向始终不变，作用在电枢上的电磁转矩的方向不变，电动机的旋转方向

41、始终不变，这就是有刷直流电动机机械换向的本质。 一般的无刷直流电动机的定子由永久磁钢组成，其作用是气隙中建立磁场，其电枢绕组通电后产生电枢反应磁场，由电力电子逆变器供给电枢绕组的电流并不是正弦波而是120度的方波，因而三相合成磁动势不是恒速旋转的，而是跳跃式的步进磁动势。它和恒速旋转的转子磁动势产生的转矩除了平均转矩之外，还有脉动分量。由于电力电子逆变器的换向作用，使得这两个磁场的方向在电动机运动的过程中始终保持一定的角度，从而产生最大平均转矩而驱动电动机不停地运转，与直流有刷电动机不同，直流无刷电动机的电枢转一圈，定子绕组只换相6次，每个极下换相三次，相当于只有三个换向片的直流电动机。 图（

42、2.7）逆变器主电路图 电子换向逆变器主电路如图（2.7）示，AA、BB、CC代表直流无刷电动机的三相定子绕组，采用Y型连结，逆变器为两两通电方式，1200导电型。首先假设转子处于图（2.8）(a)的位置，若此时使V3、V4导通，则电流从B端图（2.9）无刷直流电机的运行原理图流入，A端流出，定子磁动势为Fa，如图（2.9）(a)示，在Fa的作用下，转子将顺时针旋转，转到图（2.8）(b)的位置时，如果使v4、v5导通，则电流由c端流入，A端流出，定子磁动势为Fb，在Fb的作用下，转子将继续顺时针旋转，依次类推，如果每隔60度电角度顺序使v5和v6、v1和v6、v1和v2、v3和v2两两导通，

43、即可使定子磁动势分别如图2(2.8)(c)、图(2.8)(d)、图(2.8)(e)、图(2.8)(f)所示，从而形成旋转磁动势，在这个磁动势的作用下，转子也会随之旋转，如果使开关管反复按上述规律导通， 图（2.10）即可使转子持续旋转下去，且定子磁动势总是超前于转子磁极轴线角度60度一120度之间。其各相绕组导通示意图如图（2.10）所示。由上述的分析可见，要使直流无刷电动机正确的换相运行，必须知道图（2.8）所示的六个转子关键位置，六个转子关键位置即对应着直流无刷电动机的反电动势的过零点后的300(电角度)处。如果是有位置传感器直流无刷电动机，则可以通过传感器来直接获得转子的六个转子关键位置

44、的信息，如果是无位置传感器无刷直流电动机，则需要通过直流无刷电动机的三相定子绕组的反电势直接或间接的获得转子的位置信息。在无刷直流电动中，借助反映主转子位置的位置传感器的输出信号，通过电子换向通天路去驱动怀电枢绕组联接的相应的功率开关元件，使电枢绕组依次馈电，从而在主定子上产主生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的无接触式换流过程的实质。下图为无刷直电动机工作原理的方图。直流电源控制电路永磁电机位置传感器图（2.10）应该指出，在无刷直流电动机中，电枢绕组和相

45、应的功率开关元件的数目不可能很多，所以，与有刷电动机相比，它产生的电磁转矩波动要大一些2.2.2 电枢绕组的连接方式 无刷直流电动机的电枢绕组与交流电动机的字子绕组类似，基本上有星形绕组和封闭式绕组两类，它们的换向线路一般有上桥式和非桥式之分。这样，电枢绕组与换向线路相组合时，其形式是多种多样的。归纳起来可分为下列几种：a. 星形绕组此类接法系把所有绕组的首端接在一起。 与它们相配合的电子换向线路可以为样式连接也可以为非桥式连接。b. 封闭式绕组 封闭式绕组是由各相绕组组成封闭形，退职第一相绕组的尾端与第二相绕组的首端相连接，第二相绕组的尾端再与第三相绕组的首端相连接，依次类推，直至最后一相绕

46、组的尾端又与第一相绕组的首端相连接。与它们相配合的电子换向为桥式。2.2.3 换流线路基本设计 在无刷直流电动机中，来自位置传感器的驱动信号，按照一定的逻辑，使某些功率开关元件在某一瞬间导通或截止，电枢绕组内的电流发生跳变，从而改变主定子的磁状态，我们把电枢绕组内的这种电流化过程的物理现象称这“换流”每换流一次，磁状态就改变一次，这样，在工作气隙内会产生一个跳跃式的旋转磁场。为了使无刷直电动机可靠地运生，就应该正确地进行换流。由于换流是无刷直流电动机可靠运行的关键所在，故有必要对此作较详细的分析。下面是本次设计所用到的换流绕组形式：图（2.8） 三相星形桥式接法2.2.4无刷直流电动机相数，槽数及绕组方式的选择 无别直流电动机结构与传统直流电动机不同，是“反装式”或“里翻外”结构。即电枢固定，磁极旋转和永磁同步电动机结构更为相似。电枢铁心也是由硅钢片叠成，铁心有齿槽放置多相绕组，与有刷直流电动机