（电机与电器专业论文）高精高稳无刷直流电动机.pdf

摘要 电动机，转子磁钢采用粘结钕铁硼磁体。根据电机的性能指标要求确定其主要尺 寸( 包括定子外径和定子铁心有效长度) 、转子磁钢的充磁极数以及定子绕组导线 的选择等，并绘制了电机的全套设计图纸。研制电机经信息产业部微特电机产品 质量监督检验中心测试，各项指标全部符合q d m l 0 4 - 2 0 0 4 企业标准要求。 2 霍尔传感器的空间配置。霍尔传感器在光驱主轴无刷电动机中起着测定转 子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的 位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。 3 a b s 自动平衡系统的应用。a b s 自动平衡系统是通过在光驱托盘下面放置滚 珠以提高光驱读取密度不均的盘片时的性能。由于目前国内大量d 版盘充斥着市 场，而这些盘片的质量通常很差；当光驱读取密度不均的盘片时，托盘下的滚珠 由于离心力的作用，会滚到质量轻的那一边起到平衡作用，从而始终保持光盘的 水平转动，使光驱的读盘能力得到较好的改善。 关键词主轴无刷直流电动机霍尔传感器电机设计a b $ 自动平衡系统 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nf a r a d a y se l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nt h e o r ya n de l e c t r o n i ct e c h n i q u e s ，t h eb l d c m o t o ri sd e v e l o p i n gr a p i d l y ，i tg e t st h ev i r t u e so ft h ed ca n da cm o t o ra n dd i s c a r d st h e i r d i s a d v a n t a g e s 。w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r o n i ca n dd i g i t a lt e c h n i q u e s ，t h eb l d c m o t o r w i l lp l a yan o ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nm o d e mi n d u s t r i a la e a si nt h ef u t u r e n o w a d a y s ，c o m p u t e r sa n dd v d v i d e op l a y e r sh a v ec o m ei n t oc o m m o nf a m i l i e s ，a n dt h e m a r k e tf o rs p i n d l eb l d cm o t o f si sv e r yl a r g e t h es p i n d l eb l d cm o t o r sn o wm a d ei nc h i n aa r e a l m o s tm a n u f a c t u r e db yf o r e i g n - o w n e de n t e r p r i s e s ，n o tc h i n e s e - o w n e dc o m p a n i e s i no r d e rt o c h a n g et h es i t u a t i o n ，h e n g d i a ng r o u pd m e g cc o r p o r a t i o n sh a v eu n d e r t a k e nt od e v e l o pt h es p i n d l e b l d cm o t o r sa l lb yo u r s e l v e sb a s e do nt h ep o s t - d o c t o r a ls m t i o n ， t h i sd i s s e r t a t i o ne o n 船j a - t st h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 t h ed e s i g no ft h es p i n d l eb l d cm o t o r t h em o t o ri so u t e rr o t o ra n dt h r e e - p h a s ep e r m a n e n t m a g n e t b l d c m o t o r ，a n d i t sr o t o r m a g n e t i s m a d eo f b o n d e d n d f e b m a g n e t + t h e m a i n s i z e so f t h e m o t o r ( m c h i d i n gt h eo u t e rd i a m e t e ro f t h es t a t o ra n dt h el e n g t ho f t h es t a t o rc o r e ) a n dt h en u m b e ro f p o l e so f t h er o t o rm a g n e ta r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t t h ed r a w i n g so f t h em o t o ra r ep r e s e n t e d t o o ，c o n f i r m e db yt h ea n t h o t i t y ，t h et a r g e t so ft h ed e v e l o p e dm o t o ra r e s u p e r i o rt ot h eq d m l 0 4 - 2 0 0 4c o m p a n ys t a n d a r di s s u e db yt h ed i v f e g cc o r p o r a t i o n s 2 t h el o c a t i o no f h m s e l x q o r s h a l ls e n s o r si ns p i n d l eb l d cm o t o r sf i f eu s e dt od e t e c tt h e p o s i t i o no f t h er o t a t i n gr o t o r ，g i v i n g t h ec o r r e c ti n f o r m a t i o no f p h a s ec h a n g e t h ep o s i t i o ns i g n a l so f t h er o t o rm a g n e ta r cc h a n g e di n t oe l e c t r i c a ls i g n a l s ，w h i c hc o n t r o lt h ep h a s ec h a n g eo ft h es t a t o r w i n d i n g s 3 t h ea p p l i c a t i o no f a b s ( a u t ob a l a n c es y s t e m ) b yi n s e r t i n gb a l l si n t ot h ec d - r o ms t o c k , t h ea b i l i t yo ft h ec d - r o mr e a d i n gf o rb a dd i s k sc a r lb ei m p r o v e dal o t t h e r ea r eal e to fv e r s i o nd d i s k sw h o s eq u a l i t yi sb a di nt h em a r k e ta tp r e s e n t ，a n dt h eb a l l si nt h es t o c kw i l lr o l lt ot h es lj i 曲t s i d et ob a l a n c et h es t o c kb e c a u s eo f e c c e n t r i c i t y k e yw o r d ss p i n d l eb l d cm o t or ，h a l ls e n s o r , m o t o rd e s i g n ，a b s 【a u t ob a l a n c es y s t e m ) 一i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无刷直流电动机的发展与分类 无刷直流电动机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型 直流电动机，它是现代工业设备、现代科学技术和军事装备中重要的机电元件之 一。它以法拉第的电磁感应定律为基础，又以新兴的电子技术、数字技术为后盾， 它兼有交、直流电动机的优点，而又最大限度地摈弃了它们各自的缺点，是一种 正在不断发展的。有着良好发展前景的电动机。 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。1 8 3 1 年法拉第 发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基础。1 9 世纪4 0 年代研制成功了第一 台直流电动机，经过约7 0 年的发展，直流电动机才趋于成熟。随着用途的扩大， 对直流电动机的要求也就越来越高。显然，有接触的机械换向装置限制了有刷直 流电动机在许多场合的应用，如在易燃、易爆、高真空、低气压等环境中。为了 取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们曾对此做了长期的探索。1 9 1 5 年美 国人兰格米尔发明了带控制栅极的水银整流器，制成了由直流变交流的逆变装 置。2 0 世纪3 0 年代，就有人开始研制以电子换向来代替机械换向的无刷直流电 动机，并取得了一定成果。但是由于当时大功率电力电子器件仅处于初级发展阶 段，无法找到理想的电子换向元器件，使得这种电动机只能停留在实验室研究阶 段，无法推广应用。 然而，随着科学技术的迅速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关晶体管的 研制成功为创造无刷直流电动机带来了生机。1 9 5 5 年，美国d 哈利森等人首次 申请应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代无刷直流电 动机的雏形，不过这种无刷直流电动机存在着两个问题：( 1 ) 当转子不转时，信 号绕组内不能产生感应电势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种 无刷直流电动机无起动转矩；( 2 ) 由于信号电势的前沿陡度不大，晶体管的功耗 很大。尔后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流电动 机终于在1 9 6 2 年问世，从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元。2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电予工业的飞速发展，许多新型的高性能大功率电力电子器 件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现，以及高性能永磁材料如钐钴、钕铁硼等 的问世，均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。1 9 7 8 年，原联邦 浙江大学博士后研究工作报告 德国m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其m a c 永 磁无刷直流电动机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电动机真正进入实用阶 段。 随着近几十年来电动机本体及其相关技术的迅猛发展，“永磁无刷直流电动 机”的概念已由最初特指“具有电子换向的永磁直流电动机”延拓至：所有具备 有刷直流电动机外部特性的电子换向式永磁电动机”。永磁无刷直流电动机的发 展使得传统的电机学科同当代许多新技术的发展密切相关，随着大功率半导体器 件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以及 高性能永磁材料的不断出现，如今的永磁无刷直流电动机系统已经成为集特种电 动机、功率驱动器、光或磁检测元件、控制软件与硬件于一体的典型机电一体化 产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。 永磁无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分 组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它起动 装置。其定子绕组一般制成多相，转子由永久磁钢按一定极对数组成。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 电磁转矩，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 制电子开关电路，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 的变换而按一定的次序进行换相。由于电子开关电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。其原理框图如下： 图1 1 无刷直流电动机的原理框图 按照电动机工作方式的不同，永磁无刷直流电动机大致可以分为两类，即方 波型永磁无刷直流电动机和正弦波型永磁无刷直流电动机，很多文献把这两类电 机统称为自控式永磁同步电动机。 方波型永磁无刷直流电动机，习惯上称为b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ，其 电机本体的反电动势设计成梯形波，而逆变器输出方波电压或方波电流并且与电 机反电动势保持适当的相位关系，从而产生有效电磁转矩。在这种情况下，转子 第一章绪论 位置传感器只需要提供转子的若干个关键位置的离散信号就可以了。方波电机结 构简单、控制方便、成本较低，一般用于对转矩波动要求不太高的调速传动。正 弦波型永磁无刷直流电动机，由于源于同步电动机，国外许多文献习惯称为 p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ，其电机本体的反电动势设计成正 弦波形，而逆变器采用s p w m 技术或滞环控制技术等调制出正弦电压或电流并 与电机反电动势保持适当相位关系，从而产生比较平滑的电磁转矩。在这种情况 下，位置传感器需要提供连续的转子位置信号。正弦波型永磁无刷直流电动机的 结构比较复杂且成本较高( 尤其是位置传感器) ，控制方法灵活，一般转矩波动 较小，因此往往用于对转矩波动要求比较严格的驱动与控制系统中。 实际上，由于受永磁材料的特性、电动机磁场模型的准确度及电机制造工艺 成本等因素的制约，电动机反电动势很难设计成标准的梯形波或正弦波，而绕组 电流受逆变器容量和绕组电感的限制，也往往不是相应的标准方波或正弦波，两 者配合，虽然也能产生有效电磁转矩，但电磁转矩波动较大。因此以无刷直流电 动机的实际反电动势波形为基础，以产生恒定电磁转矩为目标，通过恰当的驱动 方式调制出与之相匹配的电流波形，是改善永磁无刷直流电动机转矩波动的一条 重要途径。从这个意义上说，上述两类永磁无刷直流电动机没有明确的分类界线， 统称为自控式永磁同步电动机更为合适。 1 2 无刷直流电动机的研究和应用现状 永磁无刷直流电动机是电机技术和电子技术相结合的机电一体化新型电机， 种类繁多，结构独特。自从问世以来，一直就是人们感兴趣的课题。随着科学技 术的发展，无刷直流电动机已进入实用和稳步发展阶段，它广泛应用于以下几个 方面： ( 1 ) 采用直流电源的高真空场合； ( 2 ) 采用直流电源，对换向火花和电磁干扰有严格限制的场合： ( 3 ) 采用直流电源，对使用寿命和可靠性有较高要求的场合； f 4 ) 采用直流电源，要求噪声较低的场合； ( 5 ) 所要求的转速用交流电机无法实现时； ( 6 1 要求稳速或调速的场合。 近年来，由于永磁材料的性能不断提高及其制造成本的不断下降、电力电子 技术日新月异的发展以及各使用领域对电动机性能的要求越来越高等因素的影 响，极大地促进了永磁无刷直流电动机的应用领域迅速扩展。在视听设备中，日 浙江大学博士后研究工作报告 本索尼、松下、夏普、爱华等公司在磁带录音机中的微电机和主轴电机都采用无 刷直流电动机。日本公司产的录像机、d v d 等产品其中大部分主轴电机采用盘式 无刷直流电动机。汽车音响中也有许多是无刷直流电动机，产量极大。办公自动 化设备中的磁盘驱动器、打印机等主轴驱动，要求转速均匀、稳定，也采用了无 刷直流电动机。在航空航天领域，由于高真空，无刷直流电动机的优势是最明显 的。如宇宙飞船中用的各种泵，使用了许多无刷直流电动机。 在国外，由于元器件成本低，无刷直流电动机已开始用于家用电器方面。例 如，用无刷直流电动机驱动吊扇，比普通交流电扇效率要提高很多，这种豪华型 吊扇已在美国问世，其特点是高效低耗，一台输入5 5 w 的吊扇与一台输入i o o w 的交流电扇相当。另外，在吸尘器电机、洗衣机电机中，无刷直流电动机也将得 到广泛的应用。可以预见，随着无刷直流电动机的开发和提高，将使现代家用电 器的性能产生飞跃，使家用电器的运用和效率的提高出现了新的转机。 我国是在8 0 年代初才研制出无刷直流电动机的，因此，在设计方法、制造 工艺、测试手段、品种发展等方面与国外差距很大。由于元器件成本高，限制了 无刷直流电动机的运用范围。根据我国目前的现状，微电子技术的开发应用将成 为重点，各种办公自动化设备、计算机外围设备、高级测量仪器和精密电子设备 的飞速发展将为无刷直流电动机提供巨大的市场。同时，随着科学技术的进步， 电子元件的成本将降低，性能将进一步提高；无刷直流电动机的技术和经济效益 将不断提高，无刷直流电动机无疑将有越来越强大的生命力。 然而，尽管无刷直流电动机近年来得到了越来越广泛的应用，但在大部分家 用电子设备方面还远远未能突破。原因就在于：无刷直流电动机以电子换向代替 机械换向，需要无接触式位置传感器和能驱动电动机转动的电子开关电路，带来 了电机成本的大幅度增加。因此，无刷直流电动机要想在现有的条件下，能得到 广泛的应用，除了必须满足控制系统日益提高的要求，即精度、可靠性和高效化 之外，能设计出性能更加优越、价格更加低廉的产品是至关重要的。当然，要做 到这一点，便对电机设计人员，在怎样分析和最优设计这种结构新颖的电机提出 了新的要求。譬如，要降低成本，则应尽可能采用较少的相数、较少的电子器件。 但电枢绕组的相数、开关元件数的减少将影响到电机的性能指标。如何在这二者 之间实现统一，就是一个有待电机设计人员解决的问题。 1 3 本课题研究的目的和意义 我国微特电机行业创建于2 0 世纪5 0 年代末期，经历了仿制、自行设计和研 4 第一章绪论 究开发阶段，至今已有4 0 余年的发展历史，已形成产品开发、规模化生产和关 键零部件、关键材料、专用制造设备、测试仪器配套的完整工业体系。据不完全 统计，在大陆的具有一定规模的微特电机生产及配套厂家在1 0 0 0 家以上，从业 人员数超过1 0 万，工业总产值超过1 5 0 亿元，微特电机行业已成为国民经济不 可缺少的一个基础产品工业。 我国( 包括香港、台湾地区) 2 0 0 1 年微特电机总产量约3 8 亿台，占世界总 产量约6 0 左右。但我国民营企业和国有企业生产的产品档次不高，属中、低档 产品居多，外资企业的产品属中档产品。许多外资企业产品开发机构均设在本国， 其真正技术含量较高的产品或新产品目前并没有转移到我国境内生产，如高速精 密无刷主轴电动机、高精度步进电机、片状电机、精密直线电机、超声波电机、 高精度高性能伺服电机以及新结构、新原理电机等，也就是说，我国已是微特电 机生产大国，但不是微特电机行业技术强国。主要原因在于属于我们自己知识产 权的产品少，这表现在我们大量生产的中低档产品几乎全是仿制国外，。大量的出 口控制在外国人手中，我们在技术上没有创新，企业的竞争力尤其是对外竞争力 不强。换句话说，外国人仅仅是利用我们国内廉价劳动力资源，而真正获利的是 国外企业和中间商。对于那些技术含量较高的产品，如带有智能控制的机电一体 化微电机，我们在技术上又落后于国外。这就形成在量大面广的低档微电机产品 上，市场控制在外国人手中；对于高档微电机，国内又做不了，或者水平差距大， 技术控制在外国人手中。所以说我们不过是生产大国，而从真正的实力比较，同 工业发达国家还相差很远。 随着我国改革开放和经济体制的不断发展和完善，微特电机行业所有制结构 发生了根本变化，从国有企业一统天下的局面，演变成民营企业成为民族工业的 主力军和外资企业成为主要力量，国有企业处境十分困难并正在进行改制的经济 体制格局。我国中、低档民用微电机领域目前已形成外资企业、民营企业、国有 企业三分天下局面，产品供大于求，竞争十分激烈，利润微薄。国外市场基本被 外资企业占领，国内市场民营企业唱主角，而国有企业由于种种原因，竞争能力 减弱，市场不断失去，处于经营困难状态。我国高档民用微电机领域，由于其产 品是先进制造技术与微电子技术紧密结合的结果，技术含量高，投资强度大，民 营企业未进入，国有企业无力加入，目前在国内几乎全部为外资企业所垄断。如 果我们民营和国有企业不能在微电机行业上技术领先，不断创新，我们就无法在 国内外市场上占有更大的份额，无法创造更大的经济效益。在当前国内经济快速 浙江大学博士后研究工作报告 发展的大好形势下，我们应该以市场为导向，加强和加速开发高档微电机产品， 采取自力更生与引进相结合，实现国产化，推动零部件专业化生产和质量的提高， 推进关键材料性能的提高和一致性，使我们的产品上档次，生产上规模，从而提 高民营和国有微电机生产企业的竞争力。 计算机工业的飞速发展及应用的快速普及，促使人类进入了信息时代。目前 世界各发达国家的信息产业正f i 新月异地向前发展，信息产业也是我国重点发展 的高新技术支柱产业之一。随着多媒体技术的快速发展和计算机应用软件的大型 化，高容量、高速度的存储媒体有了广阔的发展前景。光盘存储器作为一种新型 的激光信息存储装置，具有容量大、可靠性高、抗干扰性强、可在恶劣环境下使 用、介质寿命长及盘片可以更换等特点，有效地弥补了软盘驱动器存储容量不大， 而硬盘存储器的盘片不易更换的缺点，目前已经成为计算机系统中的常规配置， 其主轴电机就是采用高档精密无刷直流电动机。 当前，电脑和d v d 已经走进了千家万户，市场上主轴无刷直流电动机需求量 极大。目前国内从事主轴无刷电动机生产的厂家主要为外资企业，国内企业几乎 未涉足该领域。横店集团东磁公司经过大量的市场调研，选择了具有国际先进水 平，且有广阔应用前景的光驱主轴无刷直流电动机，并以国家级博士后科研工作 站为依托进行研发具有自主知识产权的光驱主轴无刷直流电动机，从而打破外企 在该领域的垄断地位。 1 4 研究内容及本文主要工作 研发的d m - w 2 0 1 2 0 1 光驱主轴无刷直流电动机具有体积小、转矩大、寿命 长等特点，为三相外转予结构永磁无刷直流电动机，转予采用钕铁硼磁钢。主鬻 用于计算机光盘驱动器和d v d 视盘机中，也可用于其它映像器的光盘驱动，是 一种高档精密无刷直流电动机。 主要技术指标如下： 1 电压： 额定值：1 2 v ： 使用范围：3 0 1 5 0 v ； 2 额定负载： 电流：5 0 0 m a ： 转速：8 5 0 0 r r a i n ； 转矩：2 9 4 m n i t i ； 第一章绪论 3 空载： 转速：1 0 0 0 0 r m i n ； 电流：2 0 0 m a ； 4 起动： 电流：1 0 0 0 m a i 转矩：1 9 ，6 r n n - m 。 本文主要做了以下工作： 1 光驱主轴无刷直流电动机的设计。该电机为三相外转予结构永磁无刷直流 电动机，转子磁钢采用粘结钕铁硼磁体。根据电机的性能指标要求确定其主要尺 寸( 包括定予外径和定子铁心有效长度) 、转子磁钢的充磁极数以及定子绕组导 线的选择等，并绘制了电机的全套设计图纸。研制电机经信息产业部微特电机产 品质量监督检验中心测试，各项指标全部符合q d m l 0 4 2 0 0 4 企业标准要求。 2 霍尔传感器的空间配置。霍尔传感器在光驱主轴无刷电动机中起着测定转 子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的 位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。 3 a b s 自动平衡系统的应用。a b s 自动平衡系统是通过在光驱托盘下面放置 滚珠以提高光驱读取密度不均的盘片时的性能。由于目前国内大量d 版盘充斥着 市场，而这些盘片的质量通常很差；当光驱读取密度不均的盘片时，托盘下的滚 珠由于离心力的作用，会滚到质量轻的那一边起到平衡作用，从而始终保持光盘 的水平转动，使光驱的读盘能力得到较好的改善。 第二章无刷直流电动机的结构 第二章无刷直流电动机的结构 2 1 引言 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，但二者在结构上 存在着很大的区别。 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，通过它们把电流馈给旋转着的电枢。 而无刷直流电动机却相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向电 路中的功率开关元件可直接与电枢绕组连接。 另外，在无刷直流电动机内，装有一个位置传感器，用来检测转予在运行过 程中的位置，它与电子换向电路一起，代替了有刷直流电动机的机械换向装置。 综上所述，无刷直流电动机的结构由下列三部分构成： 1 电动机本体带有电枢绕组的定子和永磁转子； 2 位置传感器： 3 电子换向电路。 无刷直流电动机组成方框图如下： 图2 1 无刷直流电动机组成方框图 2 2 电动机本体 电动机本体的主要部件有主转子和主定子，它们首先必须要满足电磁方面的 要求。保证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组允许通过一定的电流，以便 产生一定的电磁转矩。其次要满足机械方面的要求，保证机械结构的牢固和稳定， 能传送一定的转矩，并能经受住一定环境的考验，并特别要考虑电机的温升问题， 使其在规定的范围内。 浙江大学博士后研究工作报告 其中，主定予是电动机本体的主要部分，它由导磁的电子铁心、导电的电枢 绕组及固定铁心和绕组用的一些零部件、绝缘材料和引出部分构成。 主定子铁心由硅钢片叠成，取用硅钢片的目的就是为了减少主定子的铁损 耗，硅钢片冲成带有齿槽的环形冲片，在槽内嵌放电枢绕组。槽数视绕组的相数 和极对数而定。如极对数p = 2 ，绕组相数为3 的定子冲片图如下： 图2 2 定子冲片图 主定子绕组是电动机本体的一个重要组成部件。当电动机接上电源后，电流 流入绕组，产生磁势，后者与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电磁转矩。当 电动机带着负载转动起来后，便在绕组中产生反电动势，吸收了一定的电功率并 通过转予输出一定的机械功率，从而实现了将电能转换成机械能的过程。 主转子是电动机本体的转动部分，是产生励磁磁势的部件，它由永磁体、导 磁体和支撑零部件组成。 永磁体和导磁体是产生磁场的核心，是由永磁材料和导磁材料组成的。 机械支撑零部件主要是指转轴、轴套和压圈等，它们起固定永磁体和导磁体 的作用。 2 3 位置传感器 永磁无刷直流电动机中的位置传感器是用来检测转子磁场相对于定子绕组 的位置，并在确定的位置处发出信号控制换向元件，使定子绕组中的电流进行切 换。因此位置传感器是无刷直流电动机实现无接触换向的一个极其重要的部件， 是无刷直流电动机的一个关键部分。 如以检测位置时检测部分与被检测部分是否发生接触来分，位置传感器可分 为接触式和非接触式两种。 第二章无刷直流电动机的结构 这里，我们感兴趣的是无接触式位置传感器，它有多种不同的结构形式。 2 3 1 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置检测作用的，有开口变压 器、铁磁谐振电路等类型。在无刷直流电动机中，用的较多的是开口变压器。用 于三相无刷直流电动机的开口变压器位置传感器原理如下图所示 2 w 。 图2 3 开口变压器原理图 v 。 电磁式位置传感器由定子1 和转子2 两部分组成，定子铁心及转子上的扇形 部分均由高频导磁材料做成。在定子铁心上也分成与电动机定子绕组相对应的相 数，每相都套有输入线圈和输出线圈，并在输出线圈中外施高频电源激磁。转子 是与电机同轴连接。当转子的扇形部分转到使定子某相的输入和输出线圈耦合 时，该相输出线圈就有电压信号输出，而其余未耦合的线圈则无电压信号输出。 利用输出信号就可以去导通电动机定子绕组中相应的晶体管，进行电流的切换。 随着转子扇形部分位置的变化，便可依次使定子绕组进行换流。 电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、 适应性强、结构简单和紧凑等优点，通常不需要再经过放大器便可直接用来导通 晶体管。但电磁式位置传感器信噪比较低，体积较大，同时其输出波形为交流， 一般需要经整流、滤波后方可应用。 2 3 2 光电式位置传感器 光电式位置传感器是利用光电效应制成的，根据光束与转子位置角之间的对 应关系，按一定的顺序照射光电元件，由此发出电信号去导通开关电路中相应的 浙江大学博士后研究工作报告 功率管，并使定子绕组依次换流。 匮塑卜叫圃 医毫箍j j l n n = = 三丰= 一 先n 源电动# 凑子 光屏蔽罩 陶2 4 光电式位置传感器 光电式位置传感器用一个带有小孔的光屏蔽罩和转轴连接在一起j 随同转子 围绕一个固定的光源旋转，安放在对应于定予绕组几个确定位置上的光电池受到 光束的照射，从而检测出定子绕组需要进行换流的确切位置。再由光电池发出的 电信号去控制相应的功率管，使相应的定子绕组进行电流切换。 光电式位置传感器发出的电信号一般都是较弱的，需要经过放大后才能去控 制功率管，其输出电压为直流电压，不需要整流。 2 3 3 接近开关式位置传感器 接近开关式位置传感器是由一个和电机转子同轴旋转的金属扇形盘和一个 接近式开关电路组成，接近开关电路原理图如下： 图2 5 接近开关电路原理图 接近开关电路中的电感线圈三。、三，、厶为耦合线圈，并放置在对应于电机 定子绕组各换流处。当与转子同轴旋转的金属扇形盘未接近电感线圈工：时，振 荡电路以一定频率起振，厶线圈两端就有输出e g l i i , 。反之，当与转子同轴旋转的 金属扇形盘接近电感线圈上：时，由于工：线圈的品质因数q 值下降，振荡器停振， 第二章无刷直流电动机的结构 则厶线圈输出电压为零；直至金属扇形盘离开l 线圈时，振荡器便立即恢复工 作，相应使l 线圈两端又输出电压。因此，随着转子位置的不断变化，接近开关 电路即按一定的顺序改变它的输出电压，利用输出电压信号可使电动机定子绕组 在适宜的瞬时进行换流。 2 3 4 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是利用磁场敏感的半导体元件制作而成的。它是由跟踪定 子和跟踪转子两部分组成，有霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等类型。其中以 霍尔效应制成的霍尔元件，适应性好，容易控制。 任何带电质点在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场的作 用力，该力称为洛伦兹力。洛伦兹力的大小与质点的电荷量、磁感应强度及质点 运动的速度成正比。如当在长方形半导体薄片上加上电场e 后，在没有外加磁场 时，电子沿外电场e 的反方向运动。当加以与外电场垂直的磁场曰时，运动的电 子受到洛伦兹力作用向左偏转了一个角度( 称为霍尔角) 。因此，在半导体横向 方向边缘上产生了电荷，由于该电荷积累产生了新的电场，称为霍尔电场。该电 场又影响了元件内部的电场方向，随着半导体横向方向边缘上的电荷积累不断增 加，霍尔电场力也不断增大，它逐渐抵消了洛伦兹力，使电子不再发生偏转，从 而使电流方向又回到平行于半导体侧面方向，达到新的稳定状态。这个霍尔电场 的积分，就在元件两侧间显示出电压，称为霍尔电压，这就是所谓的霍尔效应。 图2 6 霍尔效应原理图 对于一定薄片的霍尔电动势岛，可用下式表示 e u 碱等 蜘专p “ - 1 2 - ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 浙江大学博士后研究工作报告 式中r 。霍尔系数( m 3 c ) ； j 。控制电流( a ) ； b 磁感应强度( t ) ； d 薄片的厚度( m ) ； p 材料电阻率( q m ) ； 材料迁移率( 搠2 ( v s ) ) 。 若在式( 2 1 ) 中各常数项用足。表示，有 = k h j h bq 固 当磁感应强度b 和霍尔元件的平面法线成一角度a 时，那么，实际上作用于 霍尔元件的有效磁场是其法线方向的分量，即b o o s 0 。此时，霍尔电动势为 = k h l b c o s o ( 2 4 ) 霍尔元件一般采用砷化铟或锑化铟半导体制成，这两种材料霍尔系数大，温 度系数小，目前得到广泛的应用。 磁敏电阻和磁敏二极管也是由半导体材料制成，其工作原理与霍尔元件基本 相同，均是利用磁场来传感出电信号。 2 4 电子换向电路 电子换向电路和位置传感器相配合，起到与机械换向相类似的作用，所以电 子换向电路也是无刷直流电动机实现无接触换向的一个重要组成部分。 电子换向电路就是将位置传感器输出的信号进行解调，预放大，功率放大， 然后去触发末级功率管，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。 电子换向电路作为一种控制电路，按其不同的控制方式可分为开关和线性导 通两种。其中开关导通方式在目前应用的较为广泛。它主要由功率逻辑开关单元 和位置传感器信号处理单元两部分组成。其中，功率逻辑开关单元是换向电路的 核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电动机本体绕组，以使电 动机本体产生转矩。其逻辑关系靠位置传感器敏感出信号，经处理后实现。而位 置传感器输出的信号不能直接用来控制功率逻辑开关单元，需要经信号处理单元 进行处理后才能给开关单元。 功率逻辑开关单元的要求与电子电路中常见的开关单元差不多，主要不同是 负载性质和开关速度。开关单元的负载为电动机本体绕组，呈电感性，在电源电 第二章无刷直流电动机的结构 压下工作开关速度不高，由于绕组的电感和反电动势的相互作用，致使开关单元 的电流变化很大，开关管两端所加的反压也很高。开关单元的负载电流在电机起 动和堵转情况下比额定运行下的电流露大3 1 0 倍，有时甚至更大。开关管的反 压大约为电源电压的两倍左右。功率逻辑开关单元的开关频率与电动机的转速成 正比。 一般来说，在设计无刷直流电动机时，对电子电路的选择设计，都遵循如下 的基本要求： ( 1 ) 线路简单： ( 2 ) 运行稳定可靠； ( 3 ) 体积小、重量轻、功耗小； ( 4 ) 能按照位置传感器的输出信号进行正确的换向，且能控制电动机的正反 转： ( 5 ) 应能满足不同环境的要求： ( 6 ) 能长期运行。 第三章无刷直流电动机的基本理论 第三章无刷直流电动机的基本理论 3 1 引言 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，因此就它们内部 发生的电磁过程来说，在本质上没有多大的区别，但二者在结构上存在着很大的 差异。由于无刷直流电动机以电子换向代替了有刷直流电动机的机械换向，使二 者运行原理有所不同。 有刷直流电动机主要由静止部分磁极体、转动部分电枢和电刷、换向器等组 成，其原理图如下： 图3 1 有刷直流电动机原理图 图3 1 中，、s 为磁极体，线圈a b c d 构成电枢，电刷爿、b 和换向片i 、 组成机械换向装置。 当电动机接上电源后，电流，从电刷4 流进去，经过换向片i 、线圈a b c d 至 换向片i i ，然后由电刷b 流出。根据毕奥萨乏定律：如果磁场中有一载流导体， 且导体与磁场方向相互垂直，则作用在载流导体上的电磁力为 厂= b l l 。 ( 3 - 1 ) 式中，流过导体的电流 占磁场的磁感应强度 ，。载流导体的有效长度 这个电磁力形成了作用在线圈上的电磁转矩。由于电刷和换向片的作用，虽 然导体在不断地更替，但只要外加的电压极性不变，则在某一磁极下，导体中流 浙江大学博士后研究工作报告 过的电流方向始终不变，作用在电枢上的电磁转矩的方向也始终不变。 而对于无刷直流电动机来说，它借助于位置传感器来检测当前主转子的位 置，并输出相应的位置信号。然后，这信号通过电子换向电路去驱动与电枢绕组 连接的相应的功率开关元件使电枢绕组依次馈电，从而在气隙中产生旋转磁场， 拖动永磁转子旋转。随着主转子位置的变化，位置传感器不断地输出信号，以改 变电枢绕组中的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变， 从而电磁转矩也保持不变。 3 2 无刷直流电动机工作原理 无刷直流电动机为了实现无电刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕 组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统永磁直流电动机的结构刚好相 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，无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动 机的本体以外，还要有由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换 向装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转 子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在石2l a d 左右的电角度。 为了更加清晰阐述这种无刷直流电动机的工作原理和特点，下面就以三相星 形联结半控桥电路为例，来加以简要说明。图3 2 为三相无刷直流电动机半控桥 电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管k 、k 和k 构成功率逻辑单元。 + 图3 2 三相绕组无刷直流电动机 第三章无刷直流电动机的基本理论 在图3 2 中，三只光电器件哆、忱、喝的安装位置各相差1 2 0 度，均匀 分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板( 亦称截光器) 的作用， 使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被 照射到光线来判断转子磁极的位置。图3 2 所示的转子位置与图3 ，3a 所示的位置 相对应。 a 1 b ) 图3 3 开关顺序及定子磁场旋转示意图 由于此时光电器件y e 被光照射，从而使功率晶体管k 呈导通状态，电流流 入绕组a a ，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图 3 3 中的箭头方向( 顺时针方向) 转动。当转子磁极转到图3 3 b 所示的位置时， 直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转动，并遮住旧而使p z 受光照射， 从而使晶体管k 截止、晶体管以导通，电流从绕组a a 断开而流入绕组曰一曰， 使得转子磁极继续朝箭头方向转动，并带动遮光板同时朝顺时针方向旋转。当转 子磁极转到图3 3 c 所示位置时，此时旋转遮光板已经遮住卯：，使阡：被光照射， 导致晶体管k 截止、晶体管k 导通，因而电流流入绕组c c ，于是驱动转子 磁极继续朝顺时针方向旋转，并重新回到图3 3 a 的位置。 这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器p z 、阡：、 p 只的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。不难看出， 浙江大学博士后研究工作报告 在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种 旋转磁场在3 6 0 。电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续1 2 0 。电角度。各相 绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图3 3 所示。图3 3 日为第一状态，只为 绕组a a 通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用，使 转子沿顺时针方向旋转；转过1 2 0 。电角度后，便进入第二状态，这时绕组a a 断电，而绕组b b 随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了1 2 0 。，如图3 3 b 所示，电动机转予继续沿顺时针方向旋转；再转过1 2 0 。电角度，便进入第三状态， 这时绕组b b 断电，c c 通电，定子绕组所产生的磁场又转过了1 2 0 6 电角度， 如图3 3 c 所示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过1 2 0 。电角度后就恢复到初始 状态了。这样周而复始，电动机转子便连续不断地旋转，图3 4 示出了各相绕组 的导通顺序的示意图。 圈3 4 各相绕组的导通不意图 3 3 无刷直流电动机运行特性分析 要十分精确地分析无刷直流电动机的运行特性，是很困难的。因为它涉及到 非线性理论及数值解法等诸多问题。在一般工程应用上尚无此必要，故通常均作 如下假定： ( 1 ) 电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布。 ( 2 ) 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计。 ( 3 ) 控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降为恒值。 ， ( 4 ) 各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致，相应的电气时间常数忽略 不计。 ( 5 ) 位置传感器等控制电路的功耗忽略不计。 第三章无捌直流电动机的基本理论 下面以三相星形绕组半控电路为例，推导出无刷直流电动机稳态运行时的基 本方程。 由于假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电动机气隙中是按正弦规律分布 的，即b = 日。s i n 0 。这样一来，如果在定子某一相绕组中通一持续的直流电流， 所产生的转矩为 = z d 上b m r s i n o( 3 2 ) 式中z 。每相绕组的有效导体数； 三绕组中导线的有效长度，即磁钢长度； r 电动机中气隙的半径： ，绕组相电流。 这也就是说，当某一相通以不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩 也将随转子位置的不同而按正弦规律变化。它对外负载讲，所得的电动机的平均 转矩为零。但在无刷直流电动机三相半控电路的工作情况下，实际上每相绕组中 通过的不是持续不变的直流电流，只是通过1 3 周期的矩形波电流。那么该电流 和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1 1 3 周期的一段，且 这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关。 i + + 一 肜i 彤a 、 l ：二：l ，：! 。一 图3 5 三相无刷直流电动机半控电路的转矩 浙江大学博士后研究工作报告 在图3 5 所示的瞬问导通该相晶体管，则可产生最大的平均转矩，因为这种 情况下，绕组通电的时间里，载流导体正好处在比较强的气隙磁场中，所以它产 生的转矩脉动小，平均值较大，习惯上把这一点选作晶体管开始导通的基准点， 定为= 0 。在，。= 0 。的情况下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的总转矩 如图3 5 b 所示。如果晶体管的导通时间