永磁无刷直流电机论文

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11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。但遗憾的是，由于传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，产生了噪声、火花和无线电干扰，寿命短，并且经常需要维护等缺点。针对直流电动机上述的弊病，在1917年，BOLIGER提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了永磁无刷直流电机的基本思想。但是，由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，未能找到理想的电子换向器件，使得这种电动机只能停留在实验研究阶段，未能推广使用。到三十年代，有人提出利用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓整流子电动机，它的思想和现代永磁无刷直流电机已经相当接近，但这种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重而复杂，故无实用价值。科学技术的迅猛发展，带来了半导体技术的飞跃，1948年，贝尔实验室开关型晶体管的研制成功，又为永磁无刷直流电机带来了新的生机1955年，美DHARRISON等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。而电子换向的永磁无刷直流电动机真正进入实用阶段，1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的INDRAMAT分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，在此以后，国际上对永磁无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成了方波永磁无刷直流电动机和正弦波永磁无刷直流电动机。由于永磁无刷直流电机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，同时又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及具有良好的调速特性等诸多特点，因此，它从一面世就受到了人们的广泛关注，世界各国工业先进国家的著名电机和控制厂商都竞相进行永磁无刷直流电机及其控制系统的开发，各个公司，比较著名的有美国的GM，GOULD，德国的SIMENS，INDRAMAT日本的FANUC，安川电机等都纷纷推出自己的永磁无刷直流电机的应用系统及其相关产品，这种研究目前还在日见深入，新产品层出不穷，20多年以来，随着永磁新材料、微电了技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，永磁无刷直流电动机得到了长足的发展【1】【2】。由于永磁直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。如计算机硬盘驱动器和软盘驱动器里的主轴电动机、录像机中的伺服电动机，均广泛的运用了永磁直流无刷电动机。12目前无刷直流电动机研究的主要问题随着永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器的快速发展，对永磁无刷直流电动机的研究也在不断深入，并得到广泛的应用。从现有的文献资料来看，目前国内外对无刷直流电动机的研究主要集中在以下几个方面转矩脉动、控制策略、无位置传感器控制、性能仿真等。121永磁无刷直流电动机的转矩脉动方面的研究转矩脉动式无刷电动机在低速运行时的一项重要的想能指标，很多高性能的伺服系统中对电动机低速运行时，转矩脉动都有严格的要求，所以必须了解转矩脉动产生的原因并加以抑制，这时无刷永磁直流电动机设计必须重视的问题。低速转矩脉动产生的原因可分为电磁原因、电子换向原因、机械加工工艺等原因。1、电磁因素引起的转矩脉动电磁因素引起的转矩脉动主要可归纳一下几个方面的原因1）磁极形状当定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动，它主要与气隙磁感应强度分布和电流波形及绕组形式有关。分析表明，对矩形波电动机，当极弧宽度增加时，电磁转矩增加、转矩脉动减小，当极弧宽度达到时，电动机出力最大、转矩脉动为零。但实际电动机极弧的段杜不可能完全达到1800电角度，应尽可能提高极弧系数为好。2）电枢反应电枢反应使气隙磁场发生畸变，改变永磁体空载时，气隙磁感应强度分布波形，并使前极尖消弱，该畸变的磁场与定子通电绕组相互作用，使电磁转矩随定转子相对位置变化而脉动。同时，在任一磁极状态下，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用，而产生的电磁转矩因转子位置不同而发生变化。为减少上述原因引起的转矩脉动，电动机应选择瓦片形永磁体径向结构，并适当增大气隙，同时在电磁设计时，应使电动机空载充分饱和。3齿槽效应由于齿槽效应存在引起每极下磁阻发生变化，所以也称磁阻转矩。减少齿槽转矩脉动，尽量采用定子斜槽，增大气隙长度和采用分数槽消除齿槽效应的最好办法是采用无槽结构。2、电子换相引起的转矩脉动无刷直流电动机每经过一个磁状态，定子绕组中电流就要进行一次换相，每一次换相电动机中的电流就要从一相转移到另一相得变化对电磁转矩产生一定的影响，这种相电流换相也是引起转矩脉动的重要原因。分析表明换相转矩脉动主要决定于绕组反电动势，也就是电动机的转速，而与电枢稳态电流无关。对于两相导通三相六状态矩形波无刷永磁直流电动机当转矩很低或堵转时E0，转矩动脉T50；当转速很高时，转矩脉动T50；当转速满足U4E时，T0。对于相电流换相引起的转矩脉动可以采用重叠换相法来抑制。3、制造工艺原因引起的转矩脉动由于机械加工偏差和工艺精度等原因也造成无刷永磁直流电动机转矩脉动。可分为以下几个方面1转动部分加工时不合理造成单边磁拉力增加，这样电动机在转动过程中气隙不均，无疑由此而造成的磁场谐波将会产生比较大的转矩脉动。2）由于定转子装配工艺不合理而造成的单边磁拉力增加，由于使单边磁拉力增加而产生转矩脉动。3磁极位置不精确，造成励磁磁场波形非正弦性也是造成转矩脉动的原因之一。4转子位置传感位置放置不准确，使传递信号发生畸变也会使电枢转矩发生脉动。总之，电动机制造过程中制造工艺等方面原因是产生转矩脉动的重要原因，因而无刷永磁直流电动机是制造工艺要求比较高的电机，对制造厂有比较高的要求。123控制策略方面研究的情况现代控制理论的发展与应用带动了许多新型的电机控制策略的诞生，当前应用较多的控制策略有以下几种1、变结构控制变结构控制是一类特殊的非线性控制方法，其特点是在控制过程中，系统的“结构”可根据系统当时的偏差及其导数值，以跃变的方式有目的的改变【3】。由于具有响应速度快，对控制对象参数变化及其外部干扰不灵敏，物理实现简单等优点，具有很好的适应性。BLDCM位置伺服方式下的运行均可以采用变结构控制。其缺点是变结构控制的抖振问题和需要测定扰动量的范围限制了其在实际中的应用。目前大量文献对变结构控制器进行了研究和设计，并取得了一定成绩。用变结构控制理论设计的伺服控制系统具有很好的适应性、鲁棒性、较高的控制精度和较快的响应速度【4,5，6，7】。与自适应控制相结合以提高系统鲁棒性并消除抖振是目前变结构研究的热点，宋海龙等人【8】适应模糊算法设计了无刷直流电动机的变结构速度控制器，实验证明该控制器加快了系统响应速度，降低了变结构控制引起的抖振，也解决了传统变结构控制器的设计需要事先测定扰动量范围的问题。2、智能控制智能控制是目前控制理论发展的高级阶段，其中模糊控制和神经网络控制是在交流传动系统应用中较为成熟的智能控制【9】，人工神经网络ANN是近年来发展起来的一门学科，它模拟人脑的工作方式，由大量的基本单元经过复杂的互相连接而成的一种高度复杂、非线性、并行处理的信息处理系统，且具有一定的自学习、自适应、非线性映射能力以及较强的容错性和鲁棒性等优点。模糊控制具有不依赖对象的数学模型，便于利用人的经验知识，对系统动态响应有较好的鲁棒性，简单实用等众多优点；但难以消除终了时系统的稳态误差，并且容易受到参数变化和扰动的影响。因此目前大多是在模糊控制基础上增加一定的智能控制手段，以弥补模糊控制的缺陷。例如模糊控制和PID相结合的FUZZYPID控制、神经网络和模糊控制、模糊控制和单神经元PID自适应控制相结合的复合控制、遗传算法和模糊控制的结合等。采用模糊控制和PID相结合的FUZZYPID控制设计的直流无刷伺服系统，可实现位置的准确跟踪，提高系统的精度【10】；设计BLDCM调速系统具有FUZZY和PID控制的双重优点响应快，速度无超调，鲁棒性强，抗干扰能力好【11】。采用模糊控制和神经网络控制相结合复合控制，设计的双模模糊神经控制系统具有设计过程简单，系统响应快，鲁棒性强和抗干扰能力强等优点【12,13】。133无位置传感器永磁无刷电动机控制方面的研究1、特点无位置传感器无刷永磁直流电动机是近几年来产生并得到快速发展的一种新型电机，由于省去了转子位置传感器，因而使电机结构简单，可靠性高，它特别适合于电机体积小、位置传感器无法安装或工作在恶劣环境中，使位置传感器无法可靠工作。无位置传感器无刷永磁直流电动机虽然省去了转子位置传感器，但其工作方式并未改变，仍然是定转子磁极位置来控制逆变器个开关管的导通角。只不过是通过电机本体输入参数经过控制器硬件测试比较或软件计算求得磁极位置。目前这种电机广泛应用于超薄型录音机、立体声收录机、小型磁记录系统、小型空气压缩机等。这种电机的缺点是启动转矩低，只适用于轻载或空载启动的场合。2、换相方法无位置传感器永磁无刷直流电动机常用的换相方法有以下几种1）利用电动机反电动势信号控制换相A）过零法当检测未导通相绕组的反电动势过零时，触发定时器，当定时结束时，逆变器实现下一相的换相。这种方法线路简单、成本低，缺点是对噪音敏感，影响电动动机调速范围。B）锁相环法每隔一个磁状态，锁定未导通的绕组的相的反电动势波形，以确定逆变器下一个开关的准确时间，这种方法可以随时变化而实现自动调整。C）积分法把整形后反电动势波形送到积分器中，当输出与预值门槛电压比较后能触发定时器，这种方法降低了对开关噪音的敏感性，实现了随速度变化逆变器换向时间的自动调整。利用反电动势信号控制电动机换相的方法有点事线路简单、成本低；缺点是电动机低速与启动时，反电动势无法测试而需另加起动电路。2通过检测导通相续流二极管开关状态间接检测电枢反电动势过零点来控制逆变器开关状态，该方法线路简单、灵敏度高、调速范围宽；缺点是不适用于正弦波电动机。3利用电动机的各相瞬态电压和电流方程，计算出电动机由静止到正常运行的任一时刻的转子位置，来控制电动机的运行。该方法在线计算量大，且对电动机本体数学模型依赖性大，当电动机温度发生变化时，参数会因温度变化而漂移，造成建模温差，使计算精度下降。上述三种方法中，反电动势过零检测换相法最成熟可靠，应用也最广。134起动问题在应用反电动势换相法中当电动机静止或低速时，反电动势没有信号或较弱，而难以检测，所以电动机必须先起动到一定转速才能切换到反电动势闭环运行状态。这时反电动势换相必须解决两个问题，一是静止起动问题，二是自同步问题。为使电动机能快速起动，应给预先设计的两相绕组通以短暂电流，使转子极数稳定在该两相绕组合成磁场轴线上，以此作为转子磁极初始位置，然后可按定、转子磁极间正确相位关系产生逆变器触发脉冲，使相应的开关器件导通，从而起动电动机。当电动机反电动势随转速上升达到一定时，通过电动机端电压检测就能够确定转子位置，这时即可从外同步运行阶段切换到自同步阶段运行。第二章小功率无刷直流电动机的工作原理和数学模型小功率无刷直流电动机发展已经与大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微型计算机、新型控制理论及电动机理论的发展紧密结合在一起，体现着当今应用科学的许多最新的研究成果，特别稀土永磁材料永磁材料的价格下降，因而显示出小功率无刷直流电动机的应用前景广阔和强大的生命力。本章在研究和分析小功率永磁无刷直流电动机的结构、组成以及工作原理的基础上，分析小功率永磁无刷直流电动机的基本关系式。21永磁无刷直流电动机的原理结构与应用211工作原理以电子换向代替机械换向的无刷永磁直流电动机的基本结构包括永磁无刷电动机本体、电子开关电路逆变器和控制器和转子位置传感器三部分，其框图如图21。图21永磁无刷直流电动机构成框图其工作原理可以用图22和图23来说明，M为永磁电动机本体，PS为与电动机转子同轴连接的转子位置传感器，控制电路把转子位置传感器检测到的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制的PWN信号，经过驱动电路放大后送到逆变器各功率开关管，从而使各相绕组按一定顺序工作，并在气隙中产生跳跃式旋转磁场，则转子磁场受到气隙中旋转磁场的作用就将沿固定方向连续转动。目前，无刷直流电动机大多采用三相对称绕组，由于三相对称绕组既可以是星形联结，也可以是角形联结，同时功率逆变器又有桥式和非桥式两种。因此，无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相半桥式、星形连接三相桥式和角形连接三相桥式三种形式。常见的三相半桥主电路如图所示。图中A、B、C三相绕组分别与三只功率开关管VI1、VI2、VI3串联，来自位置检测器的信号HA、HB、HC控制三只开关管的通断。每相分别导通三分之一周期。这样，定子绕组在位置检测器的控制下，一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式的，其旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。ABCHAHCHBUSVI1VI2VI3下面以二相导通星形三相六状态永磁无刷直流电动机系统为例来说明其工作原理。当转子永磁体位于图23A所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管V1、V6导通，即绕组A、B通电A进B出，电枢绕组在空间合成磁动势FA如图23A所示，此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动，电流流通路径为，电源正极V1管A相绕组B相绕组V6管电源负极。PSMACBUSVT3VT1VT5VT4VT6VT2VD1VD3VD5VD4VD6VD2、VF、图22永磁无刷直流电动机系统图当转子转过600电角度，到达图23B位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后开关管V6截止，V2导通，此时V1管仍导通，则绕组A、C通电，A进C出，电枢绕组在空间合成磁动势FA如图23B所示，此时，定转子磁场相互作用拖动转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为，电源正极V1管A相绕组C相绕组V2管电源负极，以下类推。从以上可看出，当转子沿顺时针每转过600电角度，功率开关管的导通逻辑磁场为V1、V2V2、V3V3、V4V4、V5V5、V6V6、V1V1、V2转子磁场始终受到定子合成磁场的作用幷沿顺时针方向连续转动。在图23A到B的600电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合成磁场在空间保持图23A中FA位置不动，只有当转子磁场转过600电角度到达图23B中FF位置时，定子合成磁场才从图23A中FA位置顺时针跃变成图23B中FA位置。可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是600电角度。（A）（B）图23永磁无刷直流电动机工作原理图当转子转过600电角度时，逆变器开关之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次，可见对上述情况，电动机有六个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中通过电流时间相当于转子旋转1200电角度，每个开关管的导通角为1200，故称逆变器为1200导通型，两相导通星形三相六状态无刷直流电动机系统的三相绕组与各开关管导通顺序如图24所示。电角度0060012001800240030003600ABC导通顺序BCABVT111VT211VT311VT411VT511VT611图24两相导通星型三相六状态绕组和开关导通图212系统结构永磁无刷直流电动机系统构成基本结构如下。1永磁无刷直流电动机本体电动机本体是无刷直流电动机系统实现机电能量转换的核心部分，永磁无刷直流电动机本体的主要特点是转子采用永磁体，而定子结构类似交流感应电动机，采用单相、两相或三相，目前单相无刷电动机的应用正日渐推广。该电动机的典型结构如图15所示，它实际上是一种无起动功能的交流同步电动机结构，一般定子是电枢，而转子是磁极。电枢中放置多项绕组，绕组可结成星型或三角型联接，并分别和逆变器个开关管连接；转子则由永磁体所放置位置不同而形成不同的结构。为了使用方便，有时也把定子放在内部，转子放在外部，即形成所谓的外转子电动机。永磁体装配在转子上的结构形式决定了转子的磁路结构，而转子磁路结构的不同，使得电动机的运行性能、驱动系统、制造工艺和适用场合也不同。按照永磁体在转子上位置的不同，无刷直流电动机的转子磁路结构分径向、切向、混合等多种形式，如图16所示。径向磁化式结构中，永磁体通常呈瓦片形，一般位于转子铁心的表面上，永磁体提供径向的磁通。其较为常用的形式如图16C所示的转子结构，这种结构制造工艺简单、成本低，能够提供较好的矩形波气隙磁感应强度，应用较为广泛。缺点是不适用于高速电动机，可靠性差，而且在电动机发生短路故障时，去磁磁动势直接作用在永磁体上，容易造成永磁体的不可逆退磁。切向磁化式结构中，永磁体安置在转子铁心内部，每极由两块永磁体并联提供磁通，可以获得较高气隙磁感应强度，且电枢反应不会直接作用在永磁体上，可靠性高。ABC图16无刷直流电动机永磁转子结构形式A瓦形永磁体径向磁化B矩形永磁体切向磁化C圆筒形永磁体径向磁化1紧圈2永磁体3铁心4转轴2驱动器驱动器包括开关主电路（逆变器）驱动电路和驱动控制电路，开关主电路一般由整流电路、滤波电路、缓冲电路及逆变电路组成，其中逆变电路是开关电路的核心，随着功率电子器件发展，功率开关管日新月异。随着大功率半导体器件方兴未艾的同时，功率集成电路（PLC）也得到迅速发展，PLC可以将多个功率开关管集成来实现，这样大大提高了控制器可靠性，而又有效的缩小了体积，在这种功率半导体器件与微电子技术结合的基础又诞生了智能化功率半导体器件。这种智能模块将功率半导体器件与具有信号处理功能、自我保护功能及诊断功能的电路集成组装在一起，可以实现逆变电路、驱动电路和各种控制电路功能，使得电动机驱动器具有体积小、重量轻、设计简单和可靠性高的特点。3转子位置传感器无刷直流电动机是一种闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换向信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。用位置传感器作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。各相绕组通电顺序、通电时刻和通电时间长短取决于转子磁极与定子绕组空间的相对位置，通过位置传感器米获得转子位置信号，并经过逻辑处理，功率放大后形成逆变器的触发信号，再去控制定子绕组的通、断，实现换相功能。常见的有磁敏式、磁电式、光电式等等。1电磁式位置传感器这是一种利用电磁效应来实现位置检测的传感元件，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种形式，其中开口变压器使用最多。2磁敏式位置传感器磁敏传感器利用电流的磁效应进行工作，所组成的位置检测器由与电动机同轴安装、具有与电动机转子同极数的永磁转子和多只空间均匀分布的磁敏元件构成。目前常用的磁敏元件为霍尔元件或霍尔集成电路，它们在磁场作用下会产生霍尔磁势，经整形、放大后即可输出所需电平信号，构成原始的位置信号。3光电式位置传感器这是一种利用与电动机同轴安装、带缺口旋转圆盘对光电元件进行通断控制，以产生一系列反映转子位置空间脉冲信号的检测方式。对于三相BLDCM来说，其一般每16周期换相一次，因此只要采用与电磁式或霍尔式位置检测相似4霍尔元件式位置传感器霍尔元件式位置传感器是一种小功率电动机最常用的位置传感器，实际上它是磁敏式位置传感器的一种，它是一种半导体器件，利用霍尔效应制成。当霍尔元件按要求通入电流并放入磁场中，即输出霍尔电动势信号，当不受磁场作用时，其输出无信号，用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式第一种方式将霍尔元件粘在电动机盖内，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处放置着与电动机同轴的永磁体，如图27所示。对于两相导电星形六状态无刷电动机，放三个霍尔元件即可，在空间彼此相隔1200电角度，永磁体极弧宽度为1800电角度。这种电动机转子旋转时，三个霍尔元件交错输出三个宽为1800电角度，相位互差1200矩形波信号。第二种方式为直接将霍尔元件敷贴在电枢铁心气隙表面，利用转子永磁体作为感应器永磁体，根据霍尔元件输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。图27霍尔元件位置传感器1机壳2磁铁3霍尔元件213应用永磁无刷直流电动机具有闭环系统有刷永磁直流电动机的所有特性，但永磁无刷直流电动机体积小、重量轻、换向性好、效率高，所以这种永磁无刷直流电动机只应用在军事和航空航天技术领域中，随着大功率电子驱动模块的出现以NDFEB永磁材料性能的提高和新型永磁材料的出现，特别是专用集成电路的出现，永磁无刷直流电机的价格下降，在一些较小功率应用场合代替了原有刷直流电动机，在工业和民用的许多领域中也获得了广泛的运用，比如计算机外围设备、办公自动化设备、科学仪器、音像设备、日用电器、工业机床和自动化装置等，并且应用领域仍在不断扩大。1、工业领域中的应用永磁无刷直流电机具有良好的控制性能，而且随着稀土永磁材料和电力电子技术的发展，其性价比不断提高，非常适合现代工业中自动化生产线等方面的需要。针对工业领域的实际需要，众多电动机制造厂商争相推出永磁无刷直流电动机相关产品，加快了永磁无刷直流电动机的推广进程，也展示出了该电动机广阔的发展前景。2、计算机系统中的应用计算机系统中用的电动机，绝大部分属先进制造技术和新兴微电子技术相结合的高档精密永磁无刷直流电动机，是技术密集型和知识密集型产品。硬盘驱动器采用永磁无刷直流电动机作为其主轴电动机，实现了高速带动磁头盘片旋转。光盘驱动器和软盘驱动器的主轴电动机要满足低噪音、耐低温、耐高温，能承受一定的振动和冲击等要求，通常也采用永磁无刷直流电动机。计算机系统对冷却用的电动机要求也很高，要求其结构紧凑、工作寿命长和高转速等。转子磁钢为粘性钕铁硼的转子外置式永磁无刷直流电动机能够较好地满足上述要求。3、家用电器中的应用家用电器中的电动机要具有低噪音、低能耗、高可靠性等特点。目前，许多家用空调压缩机和洗衣机内的电动机都选用了无刷直流电机。随着人们生活水平的提高，吸尘器、搅拌机和家用电风扇也有不少采用无刷直流电动机，这样不仅能提高家用电器的性能，还能减少能源损耗。22小功率永磁无刷直流电动机的基本关系式221数学模型小功率无刷直流电动机实质为自控同步运转的永磁同步电机，其数学模型基于同步电动机的分析方法。由于两相导通星形六状态工作方式最为常用，我们以此为例分析三相无刷直流电机的数学模型。分析时对理想的无刷直流电机作如下假设1、三相绕组完全对称，气隙磁场为矩形波，定子电流、转子磁场分布皆对称；2、由于定子无槽，忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；3、电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；4、定子电流为三相对称1200（电角度）的矩形波，定子绕组为600相宽的集中整距绕组。在理想情况下，由矩形波气隙磁通与矩形波定子电流相互作用，三相合成产生恒定的电磁转矩，不会产生转矩纹波。或者说，由于供电电流为矩形波，为了减少转矩纹波，永磁直流无刷电动机的气隙磁感应强度波形也应该是矩形波分布。定子三相对称绕组的相电压方程为（21）式中UA、UB、UC定子绕组三相电压R定子相绕组IA、IB、IC定子绕组三相电流、B、C定子绕组三相磁链。ACBACBACBADTIRU0无刷直流电动机采用高电阻率、低磁导率的NDFEB磁钢表面贴装结构，转子感应电流可忽略，等效气隙大，为隐极电动机特性。式（21）可展为（22）CBACBAIRU0LMCBACBAEIDT式中L定子相自感M定子相互感EA、EB、EC定子相绕组产生的感应电动势。由于三相绕组为星形联结，IAIBIC0，因此MIAMIBMIC0，所以式（22）可以化简为23CBACBAIRU0M00LCBACBAEIDT由此可得无刷直流电动机的等效电路如图28所示图28无刷直流电动机等效电路222稳态性能简化分析以两相导通星形六状态为例，分析无刷直流电动机的稳态特性。为便于分析，假设不考虑开关器件动作的国度过程及电枢组的电感。1、电阻绕组的感应电动势设电枢绕组导体的有效长度为L，导体的线速度为VM/S，则单根导体在气隙磁场中感应电动势E（V）为EBLV2425式中D电枢直径P电动机的极对数极距N电动机的转速（R/MIN）。无刷直流电动机气隙主磁通的分布波形如图29A所示。为简化分析，可将它近似为梯形波；为了减小转矩脉动，反电动势波形的平顶宽度应大于1200电角度，如图29B所示。设电枢绕组每相串联匝数为N，则每相绕组的感应电动势幅值E（V）为26NCNAPEI15E式中每极磁通量（WB），对于矩形波气隙磁场，BAIL；CE电动势常数，CE；AIPN15AI计算极弧系数。2、电枢电流在每个导通时间内，永磁无刷直流电动机存在以下电压平衡方程式U2UE2IARA27式中U电源电压；U开关器件饱和压降；E电枢绕组感应电动势，E2E；IA每相绕组电流；RA每相绕组电阻。602DNP则由上式得IA（28）RA2EU2、电磁转矩无槽无刷直流电动机电磁转居方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，即29CBAJEITM,ECIBI式中TEM电动机的电磁转矩；电动机的机械角速度。对于两相导通星形六状态无刷直流电动机来说，在任一时刻电动机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生，则（210）ACIAIPNTEM4IE2式中CT电动机的转矩常数，；IPT4转子的机械角速度，2N/60。4、转速将式（26）代入式（27）中转速N（R/MIN）得（211）CEARN2IU0空载转速N0（R/MIN）为（212）PAIE57223正弦波永磁无刷直流电动机基本关系的特点无刷永磁直流电动机一般常用的永磁材料励磁，其气隙磁场很难形成矩形波分布，一般均是梯形波，在电枢绕组中感应的电动势也只是近似正弦波，因而其基本公式的推导式建立在转子永磁体产生气隙磁场感应强度按正弦分布，绕组感应电动势也按正弦分布的基础之上的。而在实际电动机设计中一般都采用了近似处理，即忽略了气隙磁感应强度和反电动势的高次谐波，掌握了基波的电磁关系，也就掌握了电动机的基本功能和梯形，因而在正弦波无刷永磁直流电动机设计中得到广泛的应用。23永磁无刷直流电动机的运行特性231机械特性机械特性是指转矩和转速N（R/MIN）关系曲线，有式（211）可得永磁无刷直流电动机的机械特性（213）EMTEAEAEECRUICRUN222可见无刷直流电动机和有刷直流电动机的机械特性表达式完全相同，如图210中曲线1所示，但由于公式（211）是在忽略电枢反应时所得，所以与实际情况有一定差别。如不忽略电枢绕组电感作用时，机械特性曲线则介于上述两者之间，如曲线2所示。、当永磁无刷直流电动机采用不同转子结构，电感与电阻对机械特性有不同影响。当转子永磁体采用切向结构时，电动机电感较大，机械特性软，如曲线3所示当转子永磁体采用径向结构时电动机电感小，机械特性硬，如曲线1。图中低速大转矩是曲线产生弯曲，主要是开关器件的电流较大，管压降U增加快，使电动机电枢绕组上电压下降，转速进一步降低，从而使机械特性下弯。232工作特性工作特性是至电枢电流、电动机效率与输出转矩之间的关系，此关系如图211所示从效率特性可以看出，小功率无刷永磁直流电动机高效率段较宽，即输出转矩T2在较大范围煤变化都可以达到高效率，这主要是因为主磁通受电枢反应影响较小，故当电动机负载增加时，电枢电流增加相对小，铜耗就小，所以最大效率点下降较慢。这个特点特别适合于变负载的场合。233调节特性根据式（210）、式（211）、式（214）的分别球的调节特性的初始电压U0和斜率K214UCTREMA20215TK1永磁无刷直流电动机调节特性曲线如图212所示。有机械特性和调节特性的见无刷永磁直流电动机和有刷直流电动机一样具有良好的控制性能，可以通过改变电压实现调压无机调速，但不能改变磁通来实现调速。第三章小功率流电动机的设计由于永磁无刷直流电动机是集电机本体、驱动器和转子位置传感器于一体的机电一体化系统，因而设计时对于给定的技术指标。首先应从系统的角度确定总体方案，进一步再考虑电动机本体的诸多问题。涉及到多方面知识，如机械、力学、电磁学、电路、声学等，一个电机的设计一般都要经过不断反复修正计算才能得到比较合理的方案。无刷直流电动机设计的任务是，根据给定的额定值和基本技术性能要求，选用合适的材料，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、性能优良等基本要求，获得较大的经济效益【14】。小功率无刷直流电动机的设计与一般无刷直流电动机的设计步骤和思路基本相同，本章主要小功率无刷直流电动机的电磁设计。31电动机系统的总体方案确定311电枢绕组形式与主开关的接法电枢绕组相数一般有两相、三相与四相绕组，接法则有三角型联结和多边形联结。逆变器接法有桥式与非桥式两种，逆变器与电枢绕组相结合可以形成多种方式，工作方式也有一相导通三相三状态，两相导通三相六状态，三相导通三相六状态等。目前常用的绕组为三相绕组，对于逆变器常采用三相桥式换相电路有较好的电气性能，但使用的功率开关器件多，三相非桥式电路开关器件可减半，两种逆变器接法适用于不同场合，均获得广泛应用。相应逆变器工作方式也可以一相导通三相六状态和两相导通三相六状态的应用最广。312矩形波与正弦波电动机的选择矩形波电动机设计时，要获得矩形波气隙磁感应强度，通常励磁永磁体为瓦片式径向放置，极弧宽度应大于1200电角度，而且极弧宽度应尽量大，绕组形式用整距集中绕组，从而获得梯形波反电动势，这时电枢电流为矩形波；正弦波电动机是假设气隙磁场按正弦波分布，绕组形式用短距分布绕组，反电动势波形为正弦波，电枢电流波形为直流电源电压与电枢正弦波反电动势的插值曲线。由于瓦片形永磁体励磁方式气隙磁感应可以做到矩形波，因而电动机设计方法比较准确；而用切向式永磁体作励磁方式，气隙磁场接近正弦波，只能计算基波的情况，因而用设计方法设计此种电动机时，使用了一定的近似值。313转子位置传感器方案选择根据电动机功率、体积、起动转矩、伺服性能、工作环境不同决定采用有位置传感器或无位置传感器方案，一般体积、功率小时，或工作环境较差时，可以选用无位置传感器方案；功率、体积较大者可采用有位置传感器方案。32电动机本体主要尺寸确定永磁无刷直流电动机的主要尺寸可以由所需最大转矩和动态相应性能指标确定。下面分析正弦波电动机的主要尺寸确定过程。当永磁无刷直流电动机的最大转矩为TEMMAX时，最大转矩与电磁负荷和电动机主要尺寸有如下关系104（31）ABDTEMILEF2L4AX式中B气隙磁感应强度基波幅值（T）；A定子电负荷有效值（A/CM），APMDL当电动机电磁负荷选定后，电动机的主要尺寸为L（32）2DILEFA1044MAXE对永磁同步电动机动态相对应性能指标的要求体现为最大电磁转矩作用下，电动机在时间TB内，可线性地用静止加速到基本角速度B,即33BPTJTEMAX式中J电动机转子和负载的转动惯量（KG）电动机最大转矩与转动惯量之比为（34）BSEMPTJAX而电动机转子的转动惯量可近似为3574F102DILLJEF式中转子材料钢的密度（G/CM3）。E将式（31）、式（33）代入式（32）中可得电动机的电枢直径为3631028AFEBLPDIL此值在保证动态响应性能指标前提下，选择的电枢直径最大值，进一步即可求得电动机有效长度。上述关系是由凸出式转子结构关系得出，对于永磁体内置式电动机可以按上述方法推导得出。永磁无刷直流电动机的气隙长度一般要大于同规格的感应电动机的气隙长度，根据用途不同，其气隙长度取值也不相同。对于采用表面式转子磁路结构的电动机，由于转子上瓦片需要固定，其气隙长度不得不做得较大；对于内置式转子磁路结构，要求其具有一定恒功率运行速度范围的电动机，则气隙不宜太大，否则将导致电动机直轴电感过小，弱磁能力不足，电动机无法达到最高转速。33永磁体设计永磁体直接关系到永磁无刷直流电动机的性能和电动机的磁负荷。对于表面式转子磁路的永磁无刷直流电动机永磁体尺寸可有下式近似确定IRMBH1372PMAB式中计算气隙长度；I；可取351_R转子极距。2对于内置式转子磁路结构电动机永磁体的尺寸确定是比较复杂的，因为它与许多因素有关，如确定永磁体磁化方向长度时，应考虑它对永磁体工作点影响和电动机抗不可逆退磁能力的影响等。应该说明永磁体磁化方向长度与电动机气隙长度有很大关系，气隙越长，永磁体磁化方向长度应越大。34电动机本体改进定位力矩和低速平稳性的措施所谓定位力矩，即是电动机不通电时呈现的磁阻力矩，该磁阻力矩力图使转子定位于定子某一位置。分析表明，当永磁体磁极宽度为定子齿宽整数倍时，可有效地抑制定位力矩，减少定子槽开口宽度或采用磁性槽楔，均可有效地减少定位力矩。低速平稳性是该种电动机用于调速场合的重要技术指标，影响电动机低速平稳性的原因是脉动转矩，减小低速脉动转矩，可以采用定子斜槽，减少定子槽口宽度或采用磁性槽楔，当然最好办法是用无槽定子。35电磁设计计算实例小功率永磁无刷直流电动机，采用圆柱形永磁体内转子结构，磁极对数P1、电枢槽数Z12、电枢绕组为整数槽，连接方式为“星形三相三状态”和非桥式换相电路，重复短时运行。351主要技术指标1、额定输出功率PN35W2、额定电压（DC）UN12V3、额定转速NN1600R/MIN4、额定电流IN6A5、机壳外径DJ055CM工作状态为重复短期运行。352主要尺寸无刷直流永磁电动机与一般电磁式直流电动机一样，也必须满足主要尺寸关系式BAKAPNLSWINA/8/2106D式中电枢直径；AD电枢铁心计算长度；L电动机的额定转速；NN计算极弧系数；IA磁场波形系数；K绕组系数；W线负荷（A/CM）一般可取50150A/CM，对于电枢SA直径大的电动机，线负荷可取大一点；对于重复短时工作的电动机而言在特殊情况下，线负荷可取高达200300A/CM，在本计算中取线负荷A85A/CM气隙磁感应强度（T）对于铝镍钴5、铝镍钴8B结晶定向铸造永磁体而言，可取0507T，在本计算中取；650计算容量（W）,P/EIIA，EI为反电动势，IA为电枢电/P流。在本计算中，电动机为重复短时工作状态的小功率电动机，预取055，其计算容量为PN2431/并取096，111，067，当取28CM时，电枢铁心计算长度WKKIAAD为LCMDABKNAPLAWNI205168/1、电枢直径28CMA2、电枢冲片外径52CMSJ3、电枢铁心长度52CMAL4、极距CMPD39842135、磁极对数P16、工作气隙取C05电枢冲片如图31所示。图31电枢冲片示意图353定子结构确定1、电枢齿数Z122、电枢齿距CMZDTA7303、槽开口宽度B0015CM4、齿宽CMKBTBFEZ320式中BZ16TKFE093取齿宽BZ032CM5、电枢轭部高度CMKBLHFEJASJ5902式中WBI4137BJ13T取HAJ06CM齿高取HAZ06CM354转子结构确定转子的主要几何尺寸如下1、转子结构整体磁极，永磁材料选LNG82、转子外径DR0275CM3、圆柱形转子永磁体的轴向长LM54CM4、圆柱形转子永磁体中性截面的宽度BM24CM（圆柱形转子永磁体两侧削去一部分）5、圆柱形转子永磁体的中性截面积SMBMLM1296C6、转子永磁体沿磁场方向一对磁极的平均长度7、轴径DR1CM圆柱形转子永磁体示意图如图32所示。图32圆柱形转子永磁体示意图355空载计算空载特性曲线MMAWFFF22或为了在限定的体积范围内，提高电动机的输出功率，满足设计的要求，电枢冲片采用DW54050型材料。空载特性曲线的主要计算公式如下MF21、气隙磁感应强度SIGLA58402、气隙磁动势AKF216100式中K气隙系数，其数值为1252RTK60BR3、电枢齿部磁感应强度TKBTFEZA1944、电枢齿部磁动势AHHFAZAZ324式中HAZ电枢齿部的磁场强度（A/CM）（根据BAZ的数值，在DW54050的磁化特性表（附录表B3）可以查得HAZ的数值）。5、电枢轭部磁感应强度TKHLFEAJAJ281206、电枢轭部磁动势AHLFAJAJ32817式中HAJ电枢齿部的磁场强度（A/CM）（根据BAJ的数值，在DW54050的磁化特性表（附录表B3）可以查得HAJ的数值；LAJ电枢铁心轭部沿磁路方向一对磁极的平均长度，其数值为LAJCMPHDSJJ277、转子永磁体外磁路的总磁通WBM40010859式中251漏磁系数，8、空载特性曲线MF0FM的计算结果列于表31。本计算中永磁体采用铝镍8结晶定向永磁材料。把永磁体的去磁曲线从BH平面换算到F平面，换算结果见表32，便可以得到F平面内的永磁体的去磁曲线。MF0FM举例说明其计算方法BM6110GSHM1412A/CMMSMBM7919104WBFM08LMHM2801103A表31空载特性曲线的计算结果名称单位NO1NO2NO3气隙磁通WB463741926气隙磁感应强度T0330528066气隙磁动势枢齿部磁感应强度T104166208电枢齿部磁场强度A/M36012006000电枢齿部磁动势A43214472电枢轭部磁感应强度T086213817241电枢轭部磁场强度A/M2406401520电枢轭部磁动势A1732846208109744转子永磁体外磁路的总磁动势A170148298208478744转子永磁体外磁路的总磁通WB5799261157表32BH平面换算到F平面名称单位NO1NO2NO3NO4NO5NO6NO7NO8BMT1010880790750710670610HMA/M0497368546693265100028106076112363140056MWB1214810583948190488556805273320FMA012402131232524942645280134929、画磁铁工作图根据上述计算，作磁铁工作图如图816所示。图中曲线1为永磁体的去磁曲线，曲线2为空载特性曲线。曲线1与曲线2的交点P是永磁体的空载工作点。工作气隙内的磁通估算，可根据磁铁工作图816上的永磁体的空载工作点P估算出电动机空载时，永磁体发出的磁通M/12103WB左右，气隙磁通096103WB左右。/0表816磁铁工作图356电路计算电动机采用三相星形绕组和非桥式电子换相电路，组成一相导通星形三相三状态。按照要求的技术条件，额定转速1600R/MIN，负载额定力矩为021NM。若选起动力矩为额定力矩的三倍左右，则起动力矩约为0625NM。根据预设的额定点和起动点做出预设的机械特性，如图817中的直线1所示。在机械特性上，可以求得理想空载转速为2400R/MIN。图34预设的机械特性图图34预设的机械特性图1、电枢绕组每相匝数N/0W0KPNUH5式中功率晶体管的饱和管压降（V），取值15VUUKW绕组系数，KWKCKKPKCK电枢绕组的斜槽（扭斜一个齿距）系数，可按下式计算0989其中2SINKC2Q,6MKP电枢绕组的分布系数，可按下式计算其中9602QSIN）（KP6ZP2电枢绕组一相串联匝数，取52NN2、电枢绕组的总导体数2M312A3、每槽导体数ZS4、每元件匝数132SE5、电枢绕组每相电阻计算值07198190413303/0MHCPIEUR式中VKNEWNM8101045/MCP26、电枢绕组的导线截面积0310MM2RLQCPCU21式中M075CMLYZDKLENDCPACP251/21这里，K11；Y1为电枢绕组的第一节距，Y16；DZCP为通过槽径向高度中心的直径（CM）,DZCP355CM；LEND为电枢绕组的端部伸出长度（CM），LEND05CM。7、电枢绕组导线规格的选定根据上述QCU的计算数据，选用导线规格见表33。6根导线并绕，6根导线的总截面积为6QCU03966MM2,大于导线的计算截面积。表33导线规格导线牌号铜线公称直径D/MM截面积QCU/MM21的长度R20/M/绝缘导线最大直径D/MMQZ029006613770348、20时的电枢绕组每相实际电阻值R为2056012200RLNRCP9、7