(完整word版)直流无刷电机本体设计要点.doc

1、电机与拖动基础课程设计报告设计题目:学 号:指导教师:信息与电气工程学院二零一六年七月哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告直流无刷电机本体设计1 .设计任务(1)定功率Pn8M(2)定义3M(3)机运行定速100°”城(4)机运行空速nmax 600行/min2 5 卜=(5)最大允倍数(6)耐冲能力 am =1500 m/s25士-° D 旬2mm(7)机壳外径内容：1 .根据定的技指，算机基本尺寸，包括:定子心外径、定子心内径、心 度等。2 .磁路算，包括极、磁型、磁厚度、气隙度等方面算。3 .定子 算，包括定子 形式、定子槽数、距等算。2 .理论与计算过程2.1 直流无

2、刷电机的基本组成环节直流无刷 机的构原理如2-1-1所示。它主要由机本体、位置感器和子开关路 三部分成。机本体在构上与永磁同步 机相似，但没有型 和其他起装置。其定子 一般制成多相(三相、四相、五相不等)，子由永久磁按一定极数(2p=2,4,)成。中 的机本体三相机。三相定子 分与子开关路中相的功率开关器件接，位置感器的 跟踪子与机相接。当定子 的某一相通，流与子永久磁的磁极所生的磁相互作用而生矩， 子旋，再由位置感器将子磁位置 成信号，去控制子开关路，从而使定子各相 按一定次序通，定子相流随子位置的化而按一定的次序相。由于子开关路的通 次序是与子角同步的，因而起到了机械向器的向作用。因此，所

3、直流无刷机，就其基本构而言，可以 是一台由子开关路、永磁式同 步机斗即位置感器三者成的“机系其原理框如 2-1 -2所小。图2-1-1直流电动机的工作原理图图2-1-2 直流无刷电机的原理框图电机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在 电机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于直流无刷电机中永久磁钢装在转子 上，而直流有刷电机的磁钢装在定子上，图2-1-3示出了典型直流无刷电机本体基本 结构图。图2-1-3直流无刷电机基本结构图直流无刷机子开关路是用来控制机定子上各相 通的序和，主要由功率开关元和位置感器信号理元两个部分成。功率开关元是控制 路的核心，其功能是将源的功

4、率以一定关系分配直流无刷机定子上各相，以便 使机生持不断的矩。而各相 通的序和主要取决于来自位置感器的信号。但位 置感器所生的信号一般不能直接用来控制功率 开关元，往往需要一定 理后才 能去控制 开关元，上所述，成直流无刷机各主要部件的框，如2-1-4所示。图2-1-4直流无刷电机的组成框图2.2 直流无刷电机的基本工作原理众所周知，一般的永磁式直流机的定子由永久磁 成，其主要的作用是在机气 隙中生磁。其枢 通后生反磁。由于刷的向作用，使得两个磁的方向在直流机 运行的程中始保持相互垂直，从而生最大矩而 机不停地运。直流无刷机了 无刷相，首先要求把一般直流机的枢 放在定子上，把永磁磁放在子上，与

5、 直 流永磁机的构好相反。但 做是不行的，因用一般直流源定子上各 供，只能 生固定磁，它不能与运中子磁所生的永磁磁相互作用，以生一方向的矩来 子。所以，直流无刷 机除了由定子和子成机本体以外，要由位置感器、控制路 以及功率 开关共同构成的相装置，使得直流无刷机在运行程中定子 所生的的磁和 中的子磁 生的永磁磁,在空始保持在（兀/2）rad左右的角度。下面以2-1-1所示路直流无刷机工作程作要明。三相式逆器采用“120°通型”通断律。即：每隔1/6周期（60。角度）相一次，每次相一个功率管，每一功率管通120°角度。各功率管的通序是 VIV2、V2V3、V3V4、V4V5、V

6、5V6、V6V1、。当功率管 VI 和 V2 通，流从 VI 管流入A相，再从C相流出，V2管回到源。如果定流入的流所生的矩正，那 么从流出所生的3 r矩,它合成的矩如2-2-1 （a）所示，其大小Ta,方向在Ta和' Tc的角平分上。当机60°后，由VIV2通成V2V3通。6哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告时，电流从V3流入B相绕组再从C相绕组流出，经V2回到电源，此时合成的 转矩如图2-2-1 (b)所示，其大小同样为 J Tao但合成转矩Tbc的方向转过了60°电角度，而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过60°电角度，但大小始终保持&

7、quot;Ta不变。图2-2-1 (c)示出了全部合成转矩的方向。12图2-2-1定子绕组在空间合成转矩矢量图1.1 VI、V2导通时合成转矩；(b) V2、V3导通时合成转矩； (c)两两通电时合成转矩矢量图所以，同样一台直流无刷电机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时， 采用三相星形(Y)联结全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了 « 倍。每隔60°电角度换向一次，每个功率管通电120° ,每个绕组通电240° ,其 中正相通电和反相通电各120° ,其输出转矩波形如图2-2-2所示。由图2-2-2可以 看出，三相全控时的转矩波

8、动比三相半控时小得多。图2-2-2 全控桥输出波形图_ 如将三只霍尔传感器按相位差120°安装，则它们所产生的波形如图2-2-3所 zK oIII j |_(Ii小卜 r 0AHJI L0isou 360-40*72n图2-2-3各相绕组的导通示意图2.3 直流无刷电机设计的基本步骤（1）根据给定的技术指标，计算电机基本尺寸，包括：定子铁心外径、定 子铁心内径、铁心长度等。（2）磁路计算，包括极对选择、磁钢选型、磁钢厚度、气隙长度等方面计 算。（3）定子绕组计算，包括定子绕组形式、定子槽数、绕组节距等计算。在设计时既要保证电动机运行可靠、性能优良、效率高和寿命长，又要体积 小、重量轻

9、、材料省、加工方便，很多因素是相互矛盾和相互制约的。对设计的要 求是全面考虑，统筹兼顾，全面落实技术经济指标。2.4 主要尺寸的选择（1）定子铁心内径的选择直流无刷电机的转子外径 Da （由于直流无刷电机气隙一般很小，为简化问 题，就认为转子外径等于定子内径）一般随单位转速的输出功率P值增加而增大， 当电机的单位转速输出功率P相同时，其Da大致一样。决定 Da时、可根据给 定的P值并结合工厂的生产条件，参考已制成的类似电机的Da值而选定。我国目前制造的直流电机，其 Da与输出功率P的关系曲线如图2-4-1所示，它可以 作为选定Da的初步依据。图2-4-1定子内径Da与单位转速输出功率 PN/n

10、N的关系 根据已知条件计算得£n = 80 =Q.8 +0 4k出（r/ mg i（1）on 1000从图2-4-1的曲线对比，取 Da=3.4cm=34mmo（2）电磁负荷的选择2Da La6.1X104唔心式中Da定子铁心内径（cm）；La定子铁心长度（cm）；kD考虑电机内部压降等因素影响的小于1的系数;PN额定功率（W）；B磁负荷（T）；A电负荷（A/cm）；极弧系数;电机效率;n电机额定转速（r/min ）。由式（2）可知，电负荷A与磁负荷B的选择与电动机的主要尺寸直接相 关。同时，A、B的数值与电动机的运行性能和使用寿命也有密切关系，因此必须 全面考虑各方面因素，才能正确

11、选择A、B的数值。一般来说，选用较高的磁负荷B可以节约有效材料、缩小电机体积。但是B 过高会产生以下一些不利影响：1）将增加转子和定子铁心饱和程度，特别是定子齿中的饱和更为强烈，于 是空气隙及电动机定子磁路所需的磁感应强度增高， 势必要求高性能的磁钢和导 磁材料，其价格随之上升。2）因为单位体积的铁耗近似地与铁内磁感应强度的平方成正比，所以 B的 增大将使电机的铁耗增加，导致电机的效率降低，同时也使电机的温升增高。同样，选用较高的电负荷 A也可以节约有效材料、缩小电机体积。但是 A 过高会产生以下一些不利影响：1）定子绕组的去磁作用的影响比较显著，导致工作特性变差。2）在定子绕组电流密度不变的

12、条件下，这将增加定子槽内导线，从而增加 了定子绕组的用铜量、铜耗和温升。电机的电负荷A和磁负荷B与定子内径Da有关，根据已生产电机的经验数 据可以绘制成曲线，作为设计时参考。图 2-4-2和图2-4-3分别表示B级绝缘直 流电机的A、B的经验值和Da的关系。由 Da=3.4cm,根据图 2-4-2 和图 2-4-3 预取 A=130A/cm , B=0.6ToEjvXDot ccn图2-4-2电负荷A与定子内径Da的关系图2-4-3磁负荷B与定子内径Da的关系（3）定子铁心长度L的确定从式（2）,可以得到转子磁钢计算长度 La的表达式为6.1刈。4%BADa0, 76 0. 7472上7030

13、 40 60 80100 200300 40G图2-4-4计算极弧系数仪苫与转子外径Da的关系哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告由Da=3.4cm,根据图244,参考以往经验值，预取 叱0.9。预取系数及口=。',效率11 =07 ,根据式（3）计算得La=6.8cm。所以，铁心长度L= La =6.8cm。（4）转子长度与直径的比值 九从式（2）可以看出，在同样给定条件和选定的 A、B和函数值下，Da2La是一定的。因此，如果把Da选得大一些，La必定小一些，电机就比较粗短；反 之，如果把Da选得小一些，La必定大一些，电机就比较细长。电机的这个几个形 状关系可用电动机计算长度与定子

14、内径的比值来表示：(4)*1% =2由 Da=3.4cm, La=6.8cm,代入式(4)计算得（5）定子铁心外径的选择Q 4a 1 £1 n g1t沉用机的.VA A白隹每手外下1 o(mm)1 C £O 1 A/X £O.J,4I v.UI Zi3.o ,4 O 公1 O.Z2 I .V-99707 JU.O-F&e4Z. J-+5-85JO.v+5U JU-56oDU 由定子铁心内径Da=3.4cm=34mm,技术要求机壳外径D 42mm ,根据表1 可以选择定子铁心外径 Dl=36.8mm=3.68cmo2.5 磁路计算（1）极数的选择二a我们已知

15、2 PDa ,在转子外径、长度和气隙磁感应强度确定后，沿定子圆周的总磁通为一定值。增加极对数p,可减少每级磁通，定子规及机座 的截面积可相应减少，从而减少电机的用铁量；定子绕组的端接部分将随极数增 加（即极距减小）而缩短，在同样的电流密度下，绕组用铜量也将减少；磁极增多 后，定子绕组电感相应减少，这将有利于电子器件换相。总的来说，增加极数可以 节约原材料和缩小电机外形。同时: 当增加极数后制造工时也相应地增加了；随着极对数的增加，考虑到a极漏磁不能太大，极弧系数3要减小，从而使电机原材料的利用率变差；增加极对数后，在同样转速下，电子器件的换相次数增加，从而增加了电子器件的换 相损耗。在同样转速

16、下，定子绕组的交变频率将随极数的增加而增加，因而齿的 铁损耗随极数的增加而增大，而定子粗的铁损耗则增加很少，因为铁轨的重量反14哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告比于极数而下降；当电流密度不变时，定子绕组中铜耗随极数的增加而降低。 般说，电机效率随极数的增加而有所下降。目前，直流无刷电机的容量比较小，极距工=12 50mm21若取极对数p=2,则TTDa 3.14x33 L、(5)T = 25.9mm2 p 2x2所以极对数p=2,极数为4,满足设计要求。（2）磁钢的选择1）磁钢材料的选择永磁材料的种类多种多样，性能相差很大，因此在设计永磁电机时首先要选 择好适宜的永磁材料品种和具体的性能指标

17、。归纳起来，选择的原则为： 应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。 有良好的机械性能，以方便加工和装配。 经济性要好，价格适宜。目前在直流无刷电机中常用的永磁材料有铝银钻合金、铁氧体和铉铁硼等。在 满足性能指标的前提下，考虑到其经济性，百瓦级的小型直流无刷电机转 子磁钢选用铁氧体。 ）磁钢结构的选择小型直流无刷电机按工作主磁场方向不同，主要有径向磁场型式和切向磁场 型式两种，如图2-5-1所示。主磁路磁极衬套a径向转子结构b切向转子结构图2-5-1转子磁路结构 ）径向磁场型式采用径向磁场结构的小型直流无刷电机的

18、运行速度一般比较低，可直接将励磁磁钢粘结在转子磁辘上。为了减轻转子的整体重量，可以在转子磁扼上开减轻 孔，如图2-5-la所示。从图2-5-la的主磁路可以看出，径向磁场型式是一对极的 两块磁钢串联。仅有一个磁钢截面积对每一个气隙提供磁通，而由两个磁钢长度 对发电机提供磁势。 ）切向磁场型式如图2-5-lb所示，这类结构是把磁钢镶嵌在转子磁极中间，磁钢与磁极固定在隔磁衬套上。磁极由导磁性能良好的铁磁材料（如软铁等）制成，衬套由非磁性 材料制成（如铝、工程塑料等），用以隔断磁极、磁钢与转子的磁通路，减小漏磁。 从图2-5-lb可以看出，它的结构是一对磁极的两块磁极并联，由两块磁钢向每个气 隙提供

19、磁通，这样电机的气隙磁密B高，制造出的电机体积小。切向磁场型式的转 子整体结构比较复杂，除机械加工量比较大外，它的拼装必须用专用设备，尤其 将磁钢镶嵌到磁极中间要有专用工具。转子拼装好后，在转子端部将磁钢固紧， 以免造成转子（对定子）的扫膛现象，甚至卡死，电机烧坏现象。综上所述，本文所设计的直流无刷电机适合选用磁钢径向磁场结构。所以，本设计磁钢选择铁氧体材料.、磁钢径向冲磁结构，磁钢厚度取Hm=0.2cm,气隙长度取为5=0 7mm 。（3）简单磁路的计算直流无刷电机的磁路，一般由永久磁钢、导磁体和气隙三部分组成。其中导磁 体磁阻很小，可以忽略不计。这样，磁路仅由磁钢和气隙两部分组成，它近似

20、于具有空气隙的一个圆环形永久磁钢的简单磁路，如图2-5-2所示。图2-5-2具有固定气隙的环形永久磁钢假设环形永久磁钢之间的漏磁通为零，即忽略环形磁钢本身的漏磁通，并设 环形磁钢的截面积处处相等，均为SM,平均长度为LM。因此可认为磁钢内部的磁 感应强度在任一截面处都是均匀分布的，而沿全长LM磁钢内部的磁场强度分布也 是均等的。当磁路中的气隙长度为§时，按磁路的基尔霍夫第二定律，可得(6)式中L环形永久磁钢的平均长度（m）；§气隙长度（m）；m环形永久磁钢内部的磁场强度（A/m ）；H6气隙中的磁场强度（A/m ）。根据上述分析预取和计算的已知条件，参考有关资料所给的经验值

21、和计算公 式，对磁路中相关参数计算如下：1）漏磁系数0 =12;2）气隙磁通广BgS/bKI =15.85B3；Bst齿宽，*Fe电枢冲片叠片系数，t齿距）h（*电枢胡高）Bt =t5-K b）空我电枢忻底带3t Fe ：（ tB'二q4）空载电枢规磁密 2hjlKFeL ；B一虹卜 -b5）空载转子规磁密 2bj2L ； （ j2转子磁钝等效宽度）6）气隙磁势F，i/k'b"心；（人气隙系数）定子齿磁势此=2HJt；（%槽高）7F =H I T8）定子规部磁势 ? 只；（"电枢铁心规部沿磁路计算长度）F =H L L9）转子规部磁势j2j2 j2 ； （

22、j2转子规部沿磁路方向长度）z = 6+ +F +F10）总磁势 F F Ft j* j2；力=1.2x15.85B xlO4Wb11）总磁通 m52.6定子绕组计算（1）定子结构的设计设计直流无刷电机时，在保证足够的机械强度及磁通密度允许的情况下，应 尽量减少齿宽和貌厚，以扩大槽面积，增大定子绕组导线面积，降低铜耗，提高 发电机的效率。同时.，为了使电机能够快速起动，需要采用合适的极槽配合，使得Q Z / 2 p 五 O/D（7）式中：Zs为定子槽数；p为发电机极对数；A为整数，C/D为不可约分的分 数。理论和实践证明，D越大，电机的起动阻转矩越小。对于一极数一定的直流 无刷电机，它的起动阻

23、转矩随着槽数的变化而变化，如图2-6-1所示。为此，在实 际设计中，应选择合适的极槽配合，以使起动阻转矩满足要求。图2-6-1阻转矩和槽数的关系在上文的分析中，我们选择转子为2对极磁钢，为了使得直流无刷电机的起 动阻力矩满足要求，我们选择12槽定子来满足极槽配合的要求。（2）定子绕组形式在直流无刷电动机内，绕组可分为单层绕组和双层绕组。每个槽内放置一个 线圈边时，称为单层绕组；每个槽内放置两个线圈边，且分为上、下层时，称为 双层绕组。双层绕组一般都采用短距绕组，其节距 y在0.8丁左右，以使其5次 和7次谐波的影响同时削减到比较小，这样既改善了电动机的电磁性能，又可节 省材料（因为绕组的端部接

24、线缩短了）。单层绕组，每相每极仅一个线圈，而双层绕组，每相每极仅两个线圈时称为 集中绕组。单层绕组每相每极有两个或更多个线圈、双层绕组每相每极有两个以 上线圈时，称为分布绕组。电动机的定子（或转子），其圆周等于360。，这种用机械关系计量的空间 角度叫做机械角。但是在电工技术中，经常用到电角度（简称电角）的概念。每 对磁极占定子圆周的空间的机械角为360° / （极对数），但其电角度为360°。且 每经过一对磁极，就相应转过360。电角度。显然电角度是与磁极数有关，它与机械 角度的关系（图2-5-1）为电角度二极对数X机械角度图2-6-2电动机机械角与电角的关系a） 4极电

25、机磁场示意图 b）转子导体 1的感应电动势波形归纳起来，直流无刷电动机对绕组有下列基本要求：1）绕组导体沿定子圆周排列，通电后产生的磁场，应形成与转子磁场相 同的极对数，这是最基本的要求。否则，它将无法运行；2）节约用铜。在用铜量一定时，产生的感应电势或电动势最大；3）绕组的结构应尽力使工艺简单，制作维修方便；4）绝缘可靠，散热条件好。根据以上分析，本设计中直流无刷电机定子绕组采用双层绕组形式。对双层 绕组而言，电动机定子有多少个槽，就会有多少个线圈，即线圈数等于槽数。双层绕组特点之一是一般都用短距绕组。一般说来，节距缩短一或两个槽时, 对于各个线圈的安放，不会发生什么妨碍。而短距绕组的明显好

26、处是缩短了端接 线，节省了铜线，而所产生的基波感应电势削弱得并不多。相反，采用短距绕组 以后，对感应电势的谐波可以削弱很多，这对改善感应电势的波形是有利的。为了定量分析上述优点,下面通过计算短距绕组的基波感应电势和谐波感应电势来加以说明。图2-63短距绕组图2-6-3画出了一个短距绕组，它由导体I和导体H组成，线圈的节距 yl 小于极距t ,其节距比为8。采用短距绕组后，该绕组所产生的感应电势比全距绕组的应有所减少，那么如何来精确地计算其数值呢？为此，先看其中一匝所产生的感应电势。在分析感 哈尔滨工业大学(威海)课程设计报告应电势之前，首先规定好导体与绕组感应电势的正方向。导体感应电势以顺时针

27、 方向作为感应电势的正方向，并规定绕组的中心线处在磁极之间时作为时间的起 点。导体I的基波感应电势Ei = Em sin#2=-)Em sinX照匚)2(8)25导体H的基波感应电势Pit)=-Em Sg( f)2绕组的基波感应电势E E E12 J%=Em sin(Qt) + -sin(o%t)2(10)绕组为整距时，绕组基波感应电势应为 基波感应电势E122 E)cos( t)m,所以短距绕组的=Em sin coss t2EB冗 2E k12 = E12 sin 士 pi(11)2k =P兀式中kpl一基波短距因数，Pl sin( /2)。短距因数也是一个小于1的数。这是由于当绕组采用短距后，线圈里的两根导 体所产生的基波感应电势的相角不是相差180。所以，线圈的基波感应电势不是导 体基波感应电势的两倍，而是相当于整距绕组的基波感应电势乘上小于1的因数。所以，采用短距绕组后，一方面可使端接部分缩短，节省了铜，另一方面还 能改善感应电势的波形，这是双层短距绕组的显著优点。双层绕组一般存在两种绕组型式，即叠绕组和波绕组。图2-6-4表示了两种绕 组的绕组型式，其中，图a为叠绕，图b为波绕。叠绕组的联接特点是，把一个极 下同一相的几个线圈依次串联起来成为一个极相组。由于串联元件是后一个叠在前 一个上面，故叫做叠绕组。图2-6-4双层绕组的两种绕组型式a)叠绕 b)波绕叠绕组的