（电力电子与电力传动专业论文）电动床用无刷直流电动机系统研究.pdf

两北i i 韭丸学磺七学位论文a b s t r a c t 船s 善黻c l t h e p r o j o c t s t u d i e di 瓢t h i sd i s s e r t a t i o ni sf r o mt h e “s h i w u ”e r i t i c a l i n v e s t i g a t i o ni t e mo f n a t i o n a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g ym i n i s t r y , o nt h eb a c k g r o u n d o fp o w e rb e dh i g hq u a l i 移r a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s sd i r e c t c u r r e n t m o t o r ( r e p mb l d c m s y s t e m i sr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h eb a s i co p e r a t i o nt h e o r yf o rb l d c m i sa n a l y z e di nd e t a i l ， t h em e t h o do f d e s i g n i n gb l d c m i sr e s e a r c h e da n dt h ee l e c t r o m a g n e t i s ms c h e m e a b o u tb l d c mu s e di np o w e rb e di s g i v e n 。t h i ss c h e m ei s s i m u l a t e db ya n s o f l s o f t w a r ee n v i r o n m e n t i nt h i sw a y , i ti sp r o v e dt h ee l e c t r o m a g n e t i c d e s i g ns c h e m ei s f e a s i b l e m e a n w h i l e ，t h ed y n a m i cm a t h e m a t t e sm o d e lf o rb l d c mu n d e rt h e m a t l a b o p e r a t i o np l a t f o r mi sd e v e l o p e d t h e nt h es i m u l a t i o nw a v e f o r mo ft h e m o t o rc o u l db ea c q u i r e d a tt h es a m et i m e , a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t s ，t h i s d i s s e r t a t i o ng a v et h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e rf o rt h eb l d c ma n dd s pb l d c m m i n i m u m s y s t e m ( c o n c l u d e d h a r da n ds o r p a r t ) w h i c h i sd o n e a d o p t i n g f m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa st h e k e yc h i p m o r e o v e h i ti n t r o d u c e st h eb l d c mc a d s o f t w a r ew h i c h i s 诵d e l yu s e di nt h em o t o r f i e l da n d p r o p o s e st h ed e s i g n i n gt h o u g h t s 、 a n da l s og i v e st h es t r u c t u r ef r a m ea b o u tt h i ss o f t w a r e 。a tt h ee n di tp u t sf o r w a r dh o w t os o l v es o m e t e c h n o l o g i c a lh a r dp r o b l e m sa b o u t t h i ss o f t w a r e ， k e y w o r d ：b l d c m ，p o v c e rb e d ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，黼t l a 8 ，潞0 ，f r a m 两j e j 业入学硕士学位论文 辩一章概进 i i j)l, i l l1 1 1 ! ! 第一章概述 1 1 研究背景 零深遥震源亏：潜寨稀蔹帮卡五竣关顼毯一“稀士应搿z 程颈黯之直流无 剃崩可靠稀二 ：永磁电拶k ”，怒以电动廉为蜚娥，研究开发毫键能疆土永磁无铡 直流电动杌控制系统。 随藿社会舱发展；太们黠鸯蚤纯承平静要求越来越嘉，电动康停为琨代纯 产物之一，已经广泛成用于家庭、医腕、汽车、办公设备等领域。在f 权动床中， 驱动稳鞫是电动藤鹣核心罄释，莲嚣一般主要毒两耱类鍪，为旋转式鞠薹c 线式， 旋转式采用单相异步电动机，这种电机采用单相交流电供电，可靠性、安全性 舔茇，蠢羹煮体积大、重量滋赡歃熹。薹蔚生产龟裁滚豁晷国努厂家主要采掰 囊线式驰动机构，使用低压盛流电，安全牲好、可靠性离、体积小、蘧量轻、 结构紧凑。轰线式驱动杌稳一般采用稀永磁无劂或商掰真流电视，稀土永磁 无刷与有刷壹流电动机相比，出于其熙电子换淘部分狱代了肖耩妻流电动投的 换向部分，电机可靠谶、可维护性都犬为提高，而且也有噪声低、无换向火花、 寿命长等往点，将裂遥奁予毫渤廉震驱动毫爨。 近年来，幽于永磁材料、电力电予器件和控制技术等的发展，使樽稀土永 磁电动撬蠡袋本遗一步下耩，蓠经鏊不赣鬟离，其建慰逐繇出军矮领域蠢民鼷 领域渗透。纵观国内外，电动床用驱动机构越幽直线式取代旋转式机构，而稍 主隶戳无秘蠢流窀饕掇出于箕鑫身静各释铙煮，随着其成本价格靛不断降低， 取代有删直流电动机也将是今后的发媵趋势。濑前国外已有不少厂家生产有删 直线式驱动机构，如丹麦静l i n a k 公弼，国肉部分电渤床生产厂家也宵采用强 线式麓动机籀，棂据调研，固内厂家麟耀龟极大多为戳於避爨的毒副电极，瀚 内自主研发生产电机的较少，所以研究开发电渤床用黼性能稀土永磁秃刷直流 电动嘏青巍予键送我慰憩囊纛黪发震。 l ，2 稀永磁无刷卷滚电动机及控制器发展概挺 稀七永磁无届0 直流电动机幽三部分组成：电机本体、控制器、位置传感器， l 阳北l 。业人擎硕e 学他论文 第一犟概述 怒警代典裂的机电体化产品，与其它学科的发震患惠捅关。隧稽永磁材料、 徽毫子投术、鸯动狻餐授零疆致魄力邈予技术特弱建大功攀翼：关器件翡发蔗， 稀土永磁无蒯直流电动机得到了长足的发展。 l 。2 i 永磁= l 孝辩 隶磁秘瓣蠹蠢磷龟税建立藏滋磁场，辍墨子整遴毫麓磁电瓿黪趱磁缭鳃赡 俸删。出瘩磁材料代替励磁绕组，不仅可以省去触磁装置，没有了臌磁按糕， 蕊嚣由于塞磁耪瓣密度小、磁髓拣麓，鸯效懿舞麓邀撬静功率密瘦。韬镰弦汞 磁材料予土个毽纪年代磷毒l 成功，是第一代承磁= | 孝耨，熊裂余磁感应强琰较 ；蜀，簸高珂达到1 3 5 t ，嚣潘度系数较小，仪为一0 0 2 k 。象右，这些优& 静性 黪稔缮这耱永磁辩瓣筏袁爨然被广溅应掰予铰器搜袋类溢庹稳定艘婺求麓融场 合。但这种永磁体谢矫顽力小、磁路设计溺滩等缺点；第二二代铁氧体永磁材科 举翕箍i 元豢、旗、镍等炎金羼，戮麓份捺羝纛，蘸置毒矮矮力大、密瘦小等 优点，是当时电机中几种永磁材料艨用最广的一静。这拳中永磁材料的缺点怒剩 余磁感瘟强艘羝，在邃投设诗嚣嚣溪增大隶磁蕊截嚣舔，放嚣臻应麓会臻文电 帆体积；第三 弋永溅材料怒娃钕铁硼为代袭豹高性麓攥永磁材搴尊，其剩余磁 感皮疆菠可麓迭l ，4 7 t ，漭舔力可遮爨9 9 2 k a m ，激夫磁怒积离达3 9 7 ，9 k j 心， 是警灏磁畿拣最鬟载承磁栏料。冀不是是滠发系数大，殛聚燕低，容易氧辱也，生 锈丽需涂艨处理。缀过这几年的不断改进撬黼，逸照缺点大多已经克服，观钕 铁硼瘩磁豺褥袋嵩魏互俸滋菠已可迭1 8 0 ，毅遵哥达1 5 0 。0 ，已足隘瀵足缝 火彩数1 乜机的使用骤浓。随麓材料科学的发袋，永磁材料的性价比将不断掇黼， 这斌会更热程遗承磁邀疆戆发震o 。 l + 2 2 电力电孑嚣 譬 戈刷囊漉电动机熬最主嚣豹优点勰是葜抉囱幽魄力电予器件来实现，从掰 毅f 了传统麓鸯弼纛流电动税中韵按淘器，嚣诧毫力窀子器 睾是无涮壹流电动 = | j | i 麴关蕤酃传，耄力电子嚣 譬是季工绍可嚣、是否爨子控糍囊 按关累筏无涮蕊 流 毡动机的能能和成本。 逅年来，电力电子嚣搏飞速茇鼹，已歇祭窃魏可控硅、功率晶体管发攫到 州j et 业人学硕士学位论文赞一爨概述 x 4 ( ) s f er 【、和【1 、以及m c t 等，不断向着高频化、易于控制的方向发腿，如可控硅 鞠菇体謦骚予电流控翟墼嚣终， j 投控蒜逝鼹复杂，瑟m o s f e t 、i r g i j y 窝m c t 震 于j 乜压控制型器件，大大简化了控制电路。另外，功率管前级控制和驱动电路 也默藏寒滤分立器箨岛集成芯片方囊发震，楚纯了功率电蹲麓设计嚣键试工作， 如 r ( 幽际整液瓣) 公司生产数i r 2 1 1 0 、i r 2 1 3 0 、i r 2 1 3 6 等一系列控制蕊冀， 集成了静缀驱动、过流傈护等龟路，使褥控铡电路鬻为简洁可靠。近年来，l 隔 ( 智鼗功警模块) 楚当裁的功率器律领域磷究嚣热点之，它集功率器臀、 级辍动、保护电路和控制魄路于一身，是商度集成化产品，这些器件的发展必 褥会霞无剃鸯流电镄辊静熬体往麓进多提拜。 i 。2 ，3 电机转子位置捡测 。 在无席0 电机中| _ ； i 于去掉了换向器，因而位置信母的检测就显得歪关莺礤。 壹女缝溅隽式主要燕寿整嚣佞感器霾无霞誊褥感器嚣耪。育篷嚣蒋繇器控测方 式最指在电机本体舳入一定的检测浆置束获淑电机转子位爨信号，熟霍尔嚣件、 巍泡传感器以及电磁式传惑器，燕瀑前应糟最为广泛的位鬣信号检测方式，与 光经饕转感髅方式糨比，出予曩要额癸的终感器，使毫撬本髂鲍瓿搀复杂艘增 加，而且电机引出线较多，相比而畜就降低了系统的可靠性。无位鬻传感器的 控铡方式燕警戆无铡邀掇磺筑兹熟焱褥题之，一般寿爱魄势法、续渡二缀警 法、电感法、状态观测器法等。其中以反电势法最为成熟彪用也最为，。泛，反 电势法裁楚遵避捡粼瞧壤不警透糖绕缝匏爆魄压或凝逛压霉瓣电瑰袋岛点，速 种方法所需硬件电路少，实蕊简单，但低逡性能不好，两且对于犬电机，瓣爱 然出予电鹈反盛g ；起静籀移，募法复杂；续流二搬管法怒遣过稔溯反并联予 月关管蕊端躺续漉= 极管中鹣电淀采换趣，冒以褥剿理想熊低速性能，缺点霆 这种方法需臻六套稔溺装鬣，雨量也需要特豫的控铕4 方式，实现困难，应嗣比 较少；电感淀是通避攘疆l 绕缀电感骢变耗来镶定惑檄转予托位置，这静方法炙 通艘j ：某些特种电机，应用难度比较大，实现困难；状态观测器法魑通过电机 电鹱帮电浚跨募褥铡邀扭转予经置，只逶恩予正弦波驱动黔无巅妻滚瞧瑟桃， 需裂建立寅流无刷电机的数学模型和进行复杂的代数变化，在线计鳟量大，满 要高蕊穗熬激娃璎嚣帮离逮a d ，d s p 鹩出璇窝赞藉翁不龋下洚，霞这瓣控藩方 阳北川k 人学硕十学位论文 第一章概述 式的实现已成为可能。 1 3 本文研究的主要内容和各章节安排 本课题主要研究和开发电动床用稀土永磁无刷直流电动机及其控制器。要求 发计电机在满足力能指标的条件下，尽量提高电机的功率密度比；控制器采用 高性能做控制器芯片，实现全数字式控制，使系统具有控制、显示、操作指令 输入等功能。根据电动床的使用要求，其中一般都有两台或更多的电机同时工 作，所以本控制器硬件设计实现了单控制器对两台电机控制功能。 1 1 电机设计 电机指标如下： p = 5 5 wu = 2 4 v h = 1 8 0 0 r m i n 巧= o 2 6 3 6 n m 考虑到实际应用场合要求电机要具有大的起动力矩，故采用有位置传感器 的检测方式，传感器采用霍尔片。 2 ) 控制器研制 控制器核心芯片采用电机专用d s p ：占片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，该芯片内部集 成有多通道a d 转换器、两个事件管理器e v a 、e v b 以及看门狗电路等，特别 适用于电机控制领域，而且由于该芯片集成了两个事件管理器，无需外加电路， 通过其内部的捕获单元即可方便地得到电机的霍尔信号，进而为电机提供正确 的换向信号，再和其内部的全比较单元配合即可为两台电机逆变器提供所需的 1 2 路p w m 波。 3 控制软件编写 d s p 控制软件在c 2 x xc o d e c o m p o s e r 集成环境下编写，陔集成环境支 持汇编语言和c 语言以及混合汇编，本控制软件主程序采用汇编软件编写，以 肖省内存空怕j ，提高代码效率。 软件编写采用模块化设计思想，尽量使程序流程简单明了，并在设计过程 中要考虑到软件的可维护性、可扩展性、可读性以及稳定性。 4 1 无刷直流电动机仿真研究 无删直流电动机是典型的非线性元件，传统分析方法如时域解析法和频域 4 p q 北f ：业人学硕士学位论文 i i i第一章概查i l l巴 传递函数法来分析无刷直流电动机系统动态过程显得比较困难，m a t l a b 下的 p o w e rs v s t e mb l o c k 模块是电力与传动领域的仿真工具，在该模块下建立的无 刷直流电机仿真模块与实际电机较为接近，而且也直观易懂，浚模型的建立可 为无刷直流电动机的算法研究提供有力的工具。 5 ) c a d 软件丌发 电机设计涉及变量多，靠手工计算不仅计算量大，时闻长，方案谒整繁琐， 而且误差也大，容易出错，所阻研制开发稀土永磁无刷直流电动机c a d 是设计 出商性能电机的保证。 本沦文第二章详细介绍了无刷直流电动机的基本概念以及设计方法，给出 了电动床用稀土永磁无刷直流电动机的电磁方案，并对该电磁设计方案在 a n s o f 。t 下进行仿真分析；第三章对无刷直流电动机建立了仿真模型，最后对利 用浚模型对电动床用稀土永磁无刷直流电动机进行了仿真：第四章给出了由d s p 砹计的f 包机控制器的最小系统，详细介绍了各部分的特点；第五章是系统控制 软件部分：第六章介绍了稀土永磁无刷直流电动机c a d 系统。 担北 业大学磷+ k 学位论文 第一耄电机设计 第二章电辊设计 电砉趸率体是舔永蘧无裂誊滚奄潮税系绕中豹关键都静，盏接影确系统靛 性能指标，因此合理没计电机本体是系统设计的重要工作之。本章主要针对 稀永磁无蒯莲流电穰卒体设计展开骈究，国容主要毯捂稀支永磁无蒯奁流奄 动机的基本概念、稀士无刷赢流电动机电磁设计、电动床用稀土永磁无刷直流 电动机电磁设计方案以及该电动机设计方案在a n s o f tm a x w e l i2 d 下的仿真研 究。 2 1 稀土永磁无刷直流电动机基本概念 本节从普通直流电动机与无刷崽流电动机的对比出发，详细阐述和分析了 耩永滋无尉整滚毫麓鼹熬羹零工稳壤理秘运行将蛙，导出了该类型电动粳瓣 綦本电路方程和机械方程，为后面电机的仿真和控制打下了基础。 2 1 1 稀土永磁无刷直流电动机基本工作原理 瞽遥有利轰流魄动掇其褥簧定不炎静磁场衣旋转瓣龟抠。瞧鼯麓旋转必矮 借助于换向器和电刷避行换流。该类电动机夜电枢电流很大时，电刷和换向器 换流时就会有火花出域，对予一些有翁燃气体的特豫场台使瘸缀不理憋，而。曛 由于电刷和换向器的黪攥作用，常常也使褥有刷直流电动机的维护成本变高， 电刷和换向器部分是该类型电动机最翁和最常出现故障的地方，在一魑特殊场 合约缆蠲豢霉嚣鼗受刘隈利。透瑟在缀早太嬲裁提出了惩电予抉淘寒代蓥规缀 换向嚣和f 乜刷的思想，让电机的磁场作为转予旋转起来，而使电枢固定不动， 这襻j ! = l 穆中翁邀滚蔻蠢爵麓采用电子羧彝静办法来挨浚，涟餐丈功率开关嚣律 的出现，使得电子换向的办法成为可能。 肖错童流电动辊园子电弼粒换奄器的存在，e 睦枢中的电流可随着遵度静交 化进行相应的换流，耐无刷直流电动机由于磁场在转子上，要使电机产生持续 不断的力矩，电枢电流就必须随转予磁场同步变化，也就是必须使定予磁场与 转予磁场同步运动，这转才能象有刷纛滚i 起动枧样产生持缕不断的力矩。因 6 州北i j r 人学硕十学位论文第二章电机设计 此，无刷直流电动机都装有位置传感器或有转子位置检测电路，在电机旋转时 不断检测电机转子位置，导通相应的绕组，从而实现了电子换流。 闽此，稀土永磁无刷直流电动机的基本构成必须包括电动机本体，控制器 和转子位置传感器三部分，如图2 - 1 所示。 图2 一l 稀土永磁无刷直流电动机组成方框图 通常无刷直流电动机可以设计成正弦波驱动和方波驱动。正弦波驱动的无 刷直流电动机气隙磁场设计成正弦波，逆变器给电枢绕组提供f 弦波电流。方 波驱动的无刷直流电动机气隙磁场设计成方波，逆变器提供电动机的电流为方 波，f 乜枢绕组各相感应电势为梯形波。方波驱动的无刷直流电动机由于采用方 波供电，与正弦波驱动的无刷直流电动机相比，具有控制简单、出力大的优点， 但有转矩波动较大的缺点，不过由于电机控制技术的发展，转矩波动已经可以 减的非常小。而且稀土永磁材料磁能积大、取向性好，气隙磁场很容易设计成 方波，l 由于方波驱动的稀土永磁无刷直流电动的这些优点，近年来在军民领域 中得到了广泛应用。 黯3兰1 黯=兰3 矧3 兰 一j 题引3p 逝刮】f 适醋， u e g 尝商 l 墨翌皇堕j 厂一r s 爪i 蚌 厂蕊蔫r 卜l i j 一 图( 2 2 ) 稀土永磁无刷直流电动机系统图 p q 北1 j 业人学硕十学位论文第二章电机设计 稀永磁无刷直流电动机的系统图如图2 2 所示，在图2 2 中，v f 为三相 桥式逆变器，r e p m m 为稀土永磁无刷直流电机的本体，p s 为与电动机本体同轴 连接的转子位置传感器。q l 和q 4 组成的桥臂与电机a 相绕组相连，q 3 和q 6 组 成的桥臂与电机b 相绕组相连，q 5 、q 6 组成的桥臂与电机c 相绕组相连。控制 电路剥转子位罱传感器检测到的信号与斩波信号进行逻辑变换后产生脉宽调制 p w m 信号，经过驱动电路对其进行放大后送至逆变器各功率管，驱动乇丌关电路 的子功率开关管按一定的顺序导通，从而控制电机各相绕组按一定的顺序导通， 存屯机中产生跳变的旋转磁场。下面以最常用的两相导通星形三相六状态无刷 直流电机为例说明其工作原理。 a o a o ( a ) 翻( 2 - 3 ) 稀土永磁无刷直流电动机工作原理示意剀 当转予稀士永磁体位于图2 3 ( a ) 的位置时，转子位置传感器输出电机磁极 信号，经过控制器的逻辑转换、功率放大，驱动功率开关管q 1 、q 6 导通，即绕 组a 、b 通电，a 进b 出，电枢绕组在空间上合成磁势f a 如图2 3 ( a ) 示，此时， 电机定、转子磁场相互作用，拖动电机转子顺时针方向旋转，电流流通路径为： l “电源征极一功率丌关管q 1 一a 相绕组一b 相绕组一功率开关管0 6 一乜源负极。 当转子转过6 0 度电角度后，到达图2 3 ( b ) 所示位置，此时，位置传感器的输出 信号经逻辑变换、功率放大后，驱动功率开关管q 6 截止，q 2 导通，而0 i 仍保 持导通。则绕组a 、c 导通，a 进c 出，电枢绕组在空间合成磁势如图2 - 3 ( b ) f ：a 所示，此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动，电流通路为电 源难极一功率丌关管q 1 一a 相绕组一c 相绕组一功率开关管q 2 一电源负极。 p q 北i 业人学硕一| 学位论文 第一章l b 机设计 以此类推，电机每旋转6 0 度电角度，各功率开关管的导通就要发生变化，其顺 序为：q 1 q 6 、q i q 2 、q 3 q 2 、0 3 q 4 、q s q 4 、0 5 q 6 、q i q 6 等循环不断。而转子磁场 始终受定子合成磁场作用并沿顺时针方向转动。而在图2 3 ( a ) 到图2 3 ( b ) 的6 0 度电角度区问，虽然转子磁场随转子顺时针方向连续旋转，而定子合成磁场空 删位置却保持图2 - 3 ( a ) 中f a 不变，只有当转子到达图2 3 ( b ) 位置时，定子磁 场，4 会发生跳变。可见，定子合成磁场在空间上并不连续变化，而是一种跳跃 式旋转磁场，每个步进角为6 0 度电角度。 当电机每转过6 0 度电角度，逆变器开关管就进行一次换流，定子的磁状态 就要发生变化，由此而知，稀土永磁无刷直流电机共有六个磁状态，每一状态 都是两相导通，每相绕组流通电流的时间相当于转子旋转1 2 0 度电角度的时问， 故每个功率丌关管的导通角为1 2 0 度，称之为1 2 0 度导通型。两相导通星形三 棚六状态无刷直流电机的三相绕组与各开关管的导通顺序的关系如表2 1 。 袭2 一】三相绕组与各开关管导通顺序关系 电角度0 6 01 2 01 8 02 4 03 0 0 3 6 0 导通 abc 顺序 bcab q 1导通 q 2导通 q 3寻通 q 4导通 q 5导通 q 6导通导通 2 1 2 稀土永磁无刷直流电动机的基本公式 稀土永磁无刷直流电机采用径囱激磁结构，由于永磁体的取向性好，可以 方便地获得具有较好方波形状的气隙磁场。对于方波气隙磁场，当定子绕组采 用集中整距绕组，即每极每相槽数q = 1 时，方波磁场在定子绕组中感应的电势 为梯形波。对于二相导通星型三相六状态稀土永磁无刷直流电动机，方波气隙 9 i n 北j ：业人学硕l 学位论文 第一章电机殴计 磁感应强度在空间的宽度应大于1 2 0 度电角度，在定子电枢绕组中感应的梯形 波反 乜势的平顶宽度应大于1 2 0 度电角度。这种具有方波气隙磁感应强度分布、 梯形波反电势的无刷直流电动机称为方波电动机。方波电动机通常由方波电流 驱动，即与1 2 0 度导通型逆变器相匹配，由逆变器向方波电动机提供三相对称 的、宽度为1 2 0 度电角度的方波电流。方波电流应与电势同相位或位于梯形波 反f 乜势的平顶宽度范围内。为获得梯形波反电势，电枢绕组一般应设计成集中 绕组。 以下是以二相导通星型三相六状态为例，无刷直流电动机的电磁转矩、电 枢f 乜流和反电势等的计算方程“。 1 f 乜根绕组感应电势 单根导体在气隙磁场中感应电势为 p = 且正v ( v )( 2 1 ) 式中bs 为气隙磁感应强度； l 为导体的有效长度； v 为导体相对于磁场的线速度： v = 竺6 0 ，z = 2 p r 蠢( m s ) ( 2 - 2 )6 0 其中 为电机转速( r m i n ) ： d 为电枢内径： f 为极距； p 为极对数。 设电根绕组每相串联匝数为，则每相绕组的感应电势为 白= 2 w e e( v )f 2 3 ) 将式( 2 - 2 ) 代入式( 2 - 1 ) 得 一b c l 2 p f 云 ( v ) ( 2 - 4 ) 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 中6 = b 6 口r l( w b )( 2 - 5 ) 曲，i ej ，业人学顶十学位论文 第一章电机设计 式中a 为计算极弧系数，则有 e = 2 p d 0 6 祟 ( v ) ( 2 6 ) 6 0 口 、。 将式( 2 6 ) 代入式( 2 3 ) 得每相绕组感应电势 e i ：卫啪踟 1 5 a ， 则线f 巳势，即电枢感应电势为 ( 2 7 ) e = 2 西= 面2 p 啪矾= g 嘶 ( v ) ( 2 - 8 ) 式中g ：二生加。为电势常数。 15 a ， 。 2 电枢电流 在每个导通时间内有以下电压平衡方程式 u 一2 a u = e + 2 l r 。 式中为电源电压； k u 为丌关管的饱和管压降 厶为每相绕组电流 h 为每相绕组电阻。 由上式得 ( 2 - 9 ) u 一2 a u e ，、， 厶= = _ 一 ( a )( 2 - 1 0 ) z ，0 曲北l 业人学硕十学位论文 第一二章l 乜机设计 3 _ 电磁转矩 在任一时刻，电机的电磁转矩兀m 由两相绕组的合成磁场与转子永磁场相互 作用丽产生，则 ：了2 e e h ：嬖 ( )( 2 训) qq 式中 q = 百2 r p l 为电机的角速度。则有 4 转速 k 警2 p w c 4 ) s n t , 娟巾也棚， 塑脚为转矩常数。 ，础 将式( 2 8 ) 代入式( 2 9 ) 得 u 一2 a u 2 i 。r a 胪弋矿 空载转速为 。= u 石- 2 a u = l 五u 蒜- 2 a u = 7 ，5 口。；u 而- 2 a u ( r m i n ) ( 2 一1 4 )”。2 i 丽。：；磊2 7 t 5 口i 而。7 m 2 “2 1 4 i ) 翻 从式( 2 - - 8 ) 、( 2 1 2 ) 和( 2 一1 3 ) 可以看出，方波驱动的无刷直流电动机与普 通直流有刷直流电动机的基本公式相类似，理论上来说无刷直流电动机可以得 到与普通直流电动机一样完全相同的特性，但由于无刷直流电动机换向不能象 育刷直流电动机换向频繁，电机定子磁场跳变比较大，所以无刷直流电动机的 转 j ! 波动较大，如果无刷直流电动机的相数可以做到与有刷直流电动机换向片 数桐同，就能够取得与有刷直流电动机相同的特性，但考虑到换向电路的成本 1 2 州北i 业人学硕十学位论文 第章l b 机政计 曼舅曼寰蔓笪曼舅舅鼍皇! 曼曼蔓皇曼量鼍鼍曼! 皇! 曼曼量曼孽曼寞皇鼍曼曼曼曼曼! ! 孽i ! i 蔓蔓蔓曼曼曼曼曼曼曼 闯题，无刷直流电动机一般设计成三相绕组，转矩脉动可以通过一些控制方法 得以改善。 2 2 稀二 二永磁无刷直流电动机电磁设计 电机设计是一项艰巨而又复杂的工作，涉及多方面知识，如机械、力学、 电磁学、电路、声学等，往往一个电机的设计需要经过不断反复修正计算才能 得到比较合理的方案。一般步骤是先进行电机的电磁设计，然后根据电磁设计 参数进行机械设计。本部分主要针对稀土永磁无刷直流电动机的电磁设计展丌 研究。 稀土永磁无刷直流电动机的电磁设计就是根据给定的额定值和技术性能要 求，选用合理的电枢绕组和电子换向线路的组合方式，以及合适的i 乜机材料， 确定电动机各部分的尺寸，并计算其性能，以满足节省材料、制造方便、性能 良好等基本要求，获得较好得经济效益。一般稀土永磁无刷直流电动机设计步 骤如下： 1 ) 绕组形式和位置传感器的选择 无刷直流电动机的绕组形式直接关系到逆变器、控制器的复杂程度以及 系统的性能，电机的相数越多，电机的转矩脉动可以降低，但逆变器需要的功 率开关器件相应增加，反丽会使系统的复杂化和成本提高。所以般常采用三 相绕组，对应的逆变器可以选用三相星形六状态和三相星形三状态，如图( 2 4 ) 。 图( 2 - - 4 ) 逆变器主电路 转子位置传感器是用来检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，并 向控制器提供位置信号的种装置，根据工作原理的不同，常见的有磁敏式、 电磁式以及光电式位置传感器等。霍尔元件式位置传感器是磁敏式位簧传感器 1 3 曲北i 业人掌硕十学位论文 第一章l 乜机殴计 中的一种，是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通 以电流并置于磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出 端无信号。用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式。第种方式是强霍 尔，i 件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有- - d , i 日j 隙处安装着与电 , f j b 同轴的永磁体：第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁芯气隙表 蕊和绕组端部紧靠铁芯处，利用电机转子上的稀土永磁体主极作为传感器的永 磁体：旋转变压器是电磁式位置传感器中的一种，其强度较高，可以经受较大 的振动冲击，故多用于航空航天领域，但由于其过于笨重复杂，大大限制了在 普通条件下的应用：光电式位置传感器也是工程中常用的位置传感器，采用了 光电耦合原理。这种位置传感器轻便可靠，安装精度高，抗干扰能力强，调整 方便，但出于其采用光耦合原理，在一些强振动、工作环境差的场合应用受到 了限制。 2 ) t 受尺寸规格的确定 在电机设计中，通常称电枢直径和电枢铁芯计算长度为主要尺寸，屯机 的其它尺寸、重量和技术经济指标都依赖于它。在稀土永磁无刷直流电动机中 主要尺寸、电动机的计算容量和电磁负荷之间存在着如下关系： d l ；：= 币6 玩1 9 ( 2 1 4 ) 其中：e ，为电根内径，f ，为电枢铁芯长，a 为电机线负荷，b 一为电机气隙磁密， 口为永磁体极弧系数，只为计算功率，m 为电机额定转速( 以上参数都 为国际制f 单位) 从公式( 2 一】4 ) 可以得出： a 提高电机的电磁负荷可以增加电机的功率密度。 b 提高电机转速可以减小电机体积。 因此，在同等功率和定转速下，提高电机的电磁负荷能够减小电机的体 积，节约材料的消耗和减小加工费用，但电磁负荷也不宜都选得太高，太高电 机铜牦、铁耗会相应增加，电机效率降低，实际设计过程中，应综合考虑电机 的功耗和体积，合理选择电机的电磁负荷。 r h i j l ：i 业人学硕士学位论文第二章电机设计 在a b 一的乘积为一定的情况下，还应该考虑a 和口一阃的比例关系。由于电 动机的r 包抗电动势正比于电负荷a ，所以设计时一般常选用较小的a 值和较大的 疗。值，以改善电动机的运行性能：同时， 的减小也使定子绕组的用铜量降低。 a 与丹。的比例关系与电动机中铜、铁耗所占的比例也有密切关系，对于低速电 动机，铁耗较小，既可以选用较大值；对于高速电动机，铁耗较大，口a 就不应 选用较大的值。 3 ) 转子结构的确定 转子型态可分为内转式、外转式以及径向或轴向气隙构造，内转子旋转产 生的惯量较小，通常使用在伺服控制，外转式旋转惯量较大适合直接驱动的场 合， 另外电机依转子结构可以分为表面附着型、内藏型以及嵌入型，然而经常使用 的有附着型和内藏型，其中内藏型永磁电机是将永磁体埋入转子内，因此结构 峰吲可承受高转速所产生的离心力，所以经常被应用在高速的场合，另外袭 丽型永磁电机应用于低速到中速的范围之间具有固定的转速特性，并且也可以 维持高效率的性能。常用的转子励磁结构如图( 2 5 ) 。 ( a )( b )( c ) 图( 2 5 )稀土永磁转子结构型式 ta ) 瓦形永磁体径向磁化( b ) 矩形永磁体切向磁化 ( c ) 环行永磁体栉向磁化 1 紧罔2 一稀十永磁体3 一铁芯4 一轴承 4 ) 永磁体及铁芯材料的选择 当前常用的永磁材料主要有钐钴永磁材料和钕铁硼永磁材料，这两种永磁 材料又分别有烧结式和粘结式之分，一般烧结式永磁材料在同等条件下可以产 生比粘结式永磁材料高的气隙磁感应强度，适合于高磁负荷的电机，烧结式永 磁材料产，的气隙磁感应强度一般可以达到0 5 5 o 7 t ，有的可以达到0 7 l j 勺北i ：业人学颀十学倪论文第二章电机故计 ! ! l , , , , ii,ll l l - lu !j i u w u i im - - e 0 。t ：粘结式永磁材料性能相比来说较低，般气隙磁场在0 3 5 0 4 5 t 之间。 萜绦式永磁辩辩豹个往患就莛热：【工艺篱萃，可以禳掇鬻要穰艘冬种形状静 永磁体，适合于大批量生产。在设计电机时应根据选定的磁负荷和工艺要j ；j 之台 理选择永磁材料。 电机中使用的铁心材料通常称为软磁材料，它们具有低的磁滞趔路和禽的 导磁率等特性。目前产业界最常使用的铁磁材料种类有热轧硅钢片、冷轧硅钢 片、铸镪、锻铁等。对无剥电掇寒淡，铁损糕主要爨中在定子上，定子一般暴 j 日硅铡片叠加而成，在设计电机时，使电机在额定工作点时，硅钢片中磁感应 强发篷在磁诧鼗线稳赛键襄点聚莲，爨这戮充分裂瘸檬辩熬g 瓣。觳磋镶耪 料的饱和点在1 6 1 7 t 之间，特种材料可以达到2 ，2 t 左右，如1 3 2 2 ，这种材 籽特掰适合子航空簸天领域电视体获重量蘩求严格瀚场合。 5 ) 螬数和极对数的选择 当电机尺寸固定时，槽数的多寡决定绕线匝数的数量，加工制逡上的难度， 铁心饱和妁程度以及对转艇躺影响，搪数越多，可以降低气黢磁阻的不均匀程 度。减小由此产生的转矩脉动。对予由于电机槽引超的磁路不均匀i f i 了产生的转 蹩拣为毒接转廷，工程一般采援定亏：麟揍一个遗题戆方法寒游狳。 选择极对数应综合考虑运行性能和经济指标。增加极对数，在闭样的转速 下，电子器件的换蠢次数麓藏，鼠褥蹭趣了屯子器件戆挨霸蓣耗，男舞，定子 绕组的交变频率也将随极对数的增加而增加，定子铁损耗也会增加。 6 ) 其它 设计时必须注意气隙、槽满率以及导线电流密发选择铭问题，气隙、檬满 率、导线的选择直矮关系到制造难魔、制造工艺等。对于电机气隙的选择，应 在考虑到热工_ i 艺蚋基础上，可以敬妁，j 、一些，以节约隶磁体的髑漫；对予电 机槽满率，不应太大，也不斑太小，太大会造成下线困难，太小槽利用率不离， 导歙电鼹褥誊莘勰滚鼹；导线辫逶孬震在综合考癔毫橇黪毫浚密芨蠢簿线静鳃缘 等级的基础上，合理选择导线线径以及元件的匝数。 在f 硅视的整个设诗过程中，可疆借助予蕊代诧豹计算梳鞴勖设汁工具，迸 行乃案优化i 殳计，在保证电机的力能指标下，尽可能的减小电机的成本。当前 6 曲北j 业人学硕七学位论文 第一章电机改计 随着有限元分析软件的发展，为电机的前期方案设计提供了得力的工具，有限 元分析软件分析结果与实际电机设计实验结果很接近，可以为电机的后期丌发 常约成本。 2 3 电动床用稀土永磁电动机电磁设计方案 本电机设计采用作者参与开发的稀土永磁无刷直流电动8 t c a d 软件。该软件 采用工程中常用的场路结合计算磁路的方法，所设计电机与实际实验结果基本 州符，而且数据输入输出方便，并配有图形辅助显示使得电机设计结构直观， 易于阔节，同时软件也具有强大的联机帮助等功能，是稀土永磁无刷直流电动 机j 5 ；! 计的得力工具软件之一。 以下为电动床用稀土永磁无刷直流电动机电磁设计方案： 斗丰木唪水水牛半斗术木木木芈唪丰丰木木木水术术木主要技术指书示卑木丰木半半半半木崃幸丰水车半木永水术术球木木木半水水 1 额定功率5 5w 2 额定电压2 4v 3 】：作状态短期运行 4 额定转速1 8 0 0r p m 5 设计模式按方波设计 车水牛丰半木丰半半半木半半木木半半木丰术车半木术丰车半主要，己1 于幸术半木术术丰丰乖丰年丰丰术丰木半水乖术牢半球卓木半毕 6 计算功率6 8 7 5w 7电枢内径0036m 8电帜外径0055 n l 9电枢铁芯长0033m l o 计算极弧系数 0 7 5 “长径比092 1 2 极对数2 l：j极距00283 1 4 以槽数表示的极距 3 1 j4i隙宽度00005m 16转予铁芯长0033 m 】7 木丰木料木术木木木料料术料料料料木料术电枢结构水木丰年术木料半幸术木料料木料木料木料水术 1 7 齿数 1 2 18齿距00094“ 1 9 槠距电角度 6 0 。 2 ( ) 电概槽形 梯形口扇形槽 21祧口深00005 m 22槽el宽00015“ 23槽肩深00005 m 24槽肩宽00074 m 25楷身深0t 0 0 5 6m 26槽底宽00102 m 2 7 槽面积 5 4 e 一5 m 2 28齿高00066 m 29平均齿宽00025“ 30电区轭商00029 m 3 1 气隙系数 l0 6 3 5 3 2 电根冲片材料名 b w 4 6 5 5 0 3 3 电枢冲片材料密度 7 7 0 0k g m 3 1f 乜概冲片叠片系数0 、9 6 3 5 电枢冲片比损耗 1 8 4w k g 36定子齿重0061 k g 3 7 计算电 区铁芯长0 ，0 3 4 9 m 3 8r 乜帜铁：矗轭部磁路计算长度0 - 0 2 8 5 m 水术木牢半术术木料料料水水木料料料水木木木转子结构木料料料料料半木料丰木料料半半牢丰年术 39转子轭内径0008 m 40转子轭外径00293 m 永磁体材料名8b 磁铡剩磁0、6 t 8 州北l 业人学硕十学位论文 第一二章电机设“ ! 皇! 蔓曼蔓曼i 一 i 摹曼曼皇曼皇舅曼曼皇曼曼苎曼蔓皇曼曼曼鼍曼鼍曼曼曼皇! 曼曼璺曼! 曼曼! ! ! 鼍 4 3 磁钢矫顽力 3 9 7 8 8 64 2 7a m 4 4 磁钢材料密度 5 5 0 0k g 加。3 4 5 磁钢矫顽力对应的磁势 2 0 1 8 4 8a 4 6 磁钒磁化方向厚度0 0 0 2 9 n 1 4 7 磁锏内极弧系数0 7 5 4 8 磁钢外极弧系数 o 7 5 4 9 剩磁可逆温度系数0 1 1 5 0 矫顽力可逆温度系数0 2 jl永磁体外径0035 m 5 2 永磁体磁化方向截面积0 0 0 0 6 2 5 如2 53磁钢轴向长0033 m j d 工作温度下的磁钢矫顽力 3 5 4 1 1 8 9 2a m j j 磁钢剩磁对应磁通0 0 0 0 3 5 2 2 8 w b 5 6 磁钢在工作温度下的剩磁0 5 6 3 7t 5 7 额定工作时最大直轴去磁电势 1 5 6 4 7a j8转子轭材料名dw46550 5 9 转子轭材料密度 7 7 0 0k g m 。 6 0 转轴材料名1 0 # 钢 6 1 转轴材料密度 7 7 0 0k g r n 6 2 转子结构瓦片径向冲磁磁钢 63紧圈外径0035m 6 4 转子磁轭等效磁路计算长度0 0 1 9 8m 6 5 转子磁轭等效计算宽度0 0 1 0 6m 木料术料料章料木术料率料卓牛料料半丰螂粕磐计算术水料木料半半木料木料半半水丰木料木料木半 6 6 漏磁系数1 ，2 6 7 空载气隙磁通 6 8 空载气隙磁感应强度 6 9 空载转子轭磁感应强度 0 0 0 0 2 4 7 5 9l y b 0 3 5 3 8y 0 4 2 2 7t 州北1 业人学硕卜学位论文第三章电机殴汁 7 0 空载电椒齿磁感应强度 1 3 7 0 6t 7 l 空载宪裕轾磁感应强寝 1 3 4 7 5 木术水木丰木丰木凇斗半年术木水木牢术木丰木牢冰母冰术章电器备幸卜算术冰母窄卓半术书木毕掌水木爿c 术堆卓冰书木术半术术冰丰术 7 2 绕缝形式星形兰稆六状态 7 3 每极每棚槽数 l 7 绕组支路数 l 7 5 每摆绕缎粤联甄数 1 0 8 7 6 计算绕组每元件匝数 2 7 7 7 缓缝系激 l 7 8 短距系数 1 7 甄禧数寝示静节距 3 8 0 并绕根数 2 8 1 分布系数 l 8 2 导线名q q 一2 8 3 导线最大截面积0 2 0 6 6 9 2m m 2 羽导线截瓣获0 。1 5 9 0 4 3m m 2 85导线标称直径045m i n 懿导线最丈直径0 5 1 黼 8 7 绕组层数 2 88导线电隧率001754q n 8 9 每糖导体数 5 4 9 0 计算绕组串联匝数l l l 9 i 司一舅绕缝每匝乎均长度0 。1 5 1 8 拱 9 2i = 卜算绕组端部长度0 ，0 4 2 9m 孽3 电流誊菠 10 5 1 8 3 9 7 a m 2 9 4 线负衙 1 2 7 7 9 8 5a m 9 5 每栩绕缀电疆( 工作温度) 1 1 3 3 4 q 9 6 每棚绕缎电阻( 2 0 ) 0 9 2 9 q 曲，i li ：业人学硕1 卜学位论文 第一章电机设计 9 7 空载转速2 4 6 1 2r p m 9 8 总元俘数1 2 9 9 电枢总导体数6 4 8 l 导线电疆遗度系数0 。0 0 4 1o l 工作温度 7 5 。c 】0 2 绕缓每匿平均长度0 1 5 6m l0 ：j槽满率05298 $ 丰水卓聿幸$ 宰枣枣车牛半术掌卓卑卓幸书事掌卓掌率章幸遗l 瓣i 反应牢冰枣木丰枣木率半书球牢枣木率冰丰采牛：i ：半水率冰木木毒 1 0 4 起动晚流i o 3 2a i 0 5 起动时直轴电枢反应最大值4 8 2 ，7 4a 106起动电磁转铤0。866in 攥 i07电磁转矩02807n m 1 0 8 簌定羔 睾时乎凌龟懿毫流3 。3 5a 1 0 9 额定工作时反魄动势最大值1 5 。8 2v l i 0 负载气黻磁感应强疫0 3 2 7t 222 负载气隙磁通0 0 0 0 2 2 8 8 1 w b l1 2 负载转予轭磁缮应强艘0 3 9 0 6 t l 3 负载电枢莲磁憋应强度1 2 6 6 7t 114 负载电报轭磁感应强度 1 3 4 7 5t 术母率枣木毒幸每誊每瘩每宰章章幸采摩皋枣毒木枣霉枣宰褒萼葶蠡妻鑫耗皋枣率宰木宰章牵枣枣皋枣枣掌章牢母窜牢$ 掌率枣木章末枣 】1 5 铜损 2 5 。3 8w i 1 5 铁损工艺系数2 】j7 铁损 1 3 3w l j 8 轴承攀濂损耗系数3 9 辙承摩攘损耗l 。i 4 l l 20摩擦转矩0017ln m 1 2 1 开关管撰耗2 。0 1w 122管压降03v 2 l 挑北| 业大学瑚士学位论文 第一章电机蹬计 兰蔓! 嗍燃勇曼皇! 舞懒笪曼曼曼曼黑i i i i i i i i i i i i 一i i 燃i 皇! 皇曼曙燃兰曼曼曼鼻女皇1 123风损002 w 1 2 4 税械损耗和铁损 2 4 8w 1 2 5 瞅自损耗系数 1 ，3 1 2 6 考虑附加损耗的机械损耗和铁损 3 2 3w