|
|
目 录
摘 要•••••••••••••I
ABSTRACT•••••••Ⅱ
第1章 无刷直流电动机的发展和研究状况 1
1.1 无刷直流电动机的发展和特点 1
1.2 无刷直流电动机在工业中的应用 2
1.2.1 我国稀土永磁材料的性能和价格••••••••••••••••••••••••••••3
1.2.2 优化电机磁路结构设计和加工制造工艺•••••••••••3
1.2.3 线路的要求•••••••••••••••••••••4
1.3 无刷直流电动机在工业中的应用 4
1.4 无刷直流电动机的发展趋势•••••••••••••••5
1.4.1 电力电子技术及微处理技术对无刷直流电动机的影响 5
1.4.2 新材料对无刷直流电动机的促进 6
1.4.3 性能改进和新品种的开发••••••••••••••••••••••••••7
第2章 无刷直流电动机及驱动系统的结构和原理•••••••••••••••8
2.1 无刷直流电动机及驱动系统的基本结构•••••••••••••8http://www.16sheji8.cn/
2.1.1 电动机本体••••••••••••••••••••••••••••••8
2.1.2 位置传感器••••••••••••••••••••••••••••••••9
2.1.3 电子换向电路••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
2.2 无刷直流电动机系统的原理与运行特性••••••••••••••••••••10
2.2.1 无刷直流电动机的工作原理•••••••••••••••••••••••10
2.2.2 无刷直流电动机系统的组成•••••••••••••••••11
2.2.3 系统方程式•••••••••••••••••••••••••••••12
2.2.4 运行特性分析••••••••••••••••13
第3章 无刷直流电动机驱动系统的初步设计••••••••••••••••17
3.1 位置传感器的选•••••••••••••••17
3.1.1 霍尔传感器••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.1.2 霍尔效应•••••••••18
3.1.3 霍尔位置传感器•••••••••••••••19
3.1.4 位置传感器的设计•••••••••••••20
3.2 无刷直流电动机的控制技术•••••••••••22
3.2.1控制电路的选择••••••••••••••••••22
3.2.2 控制原理••••••••••••••••••••••••••••••22
3.3 无刷直流电动机驱动器的基本功能•••••••24
3.3.1 电流换向功能••••••••••••••••••••••••••24
3.3.2 调速功能••••••••••••••••••••••••••••••••••24
3.4 无刷直流电动机的驱动电路设计•••••••••••••••••25
3.4.1 驱动电路工作原理••••••••••••••••••••••••••••25
3.4.2 驱动实施方案••••••••••••••••••••••26
第4章 无刷直流电动机的电磁计算程序•••••••••••••••••••••••28
4.1 无刷直流电动机主要尺寸确定方法••••••••••••••••••28
4.1.1 定子设计•••••••••••••••••••••••••29
4.1.2 转子设计••••••••••••••••••••••••••••30
4.1.3 无刷直流电动机相数、级数及槽数的选择•••••••••••••30
4.2 磁路系统设计•••••••••••••••••••32
4.2.1 磁路结构选择与磁场分析••••••••••32
4.2.2 磁钢的最佳工作点与稳定方法••••••••••••34
4.3 电路系统设计•••••••••••••••••••••36
4.3.1 电枢绕组和电路形式的选择应考虑的问题••••••••••••••••36
4.3.2 电路参数计算••••••••••••••••••••37
4.4 电枢反应•••••••••••••••••••••38
4.4.1直流电枢反应••••••••••••••••••••••38
4.4.2交流电枢反应•••••••••••••••••••••39
4.5电磁计算程••••••••••••••••••40
小节与致谢•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••48
参考文献••••••49
附录：（A）无刷直流电机总装图
附录：（B）定子冲片图
无刷直流电动机及驱动系统的设计http://www.16sheji8.cn/
摘 要：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。 无刷直流电动机系统既保持了直流电动机良好的调速控制特性，由具有寿命长、可靠性高、无换向火花及低噪音等优点，又消除了电刷和换向器的机械接触。
本文是对无刷直流电动机系统做出深入的剖析与设计。在介绍无刷直流电动机设计中，关于相数、极数、槽数及绕组连接方式的选择方法和应遵从的规律.而且针对直流电动机结构特点和工作性能，在电枢反应理论基础上设计出功率为240w的无刷直流电动机，并对霍尔位置传感器和无刷电动机的控制及驱动做了详细的分析。
关键词：无刷直流电动机；霍尔位置传感器；控制；驱动
The Design of Brush less DC Motor and its Drive system
Abstract：Brush less DC motor is a new-model electric machine emerging rapidly in recent years. It is to widely used in industry 、agriculture military affair and so on . Apart from good speed regulation characteristics which DC Motor has, brush less DC drive system not only has some merits Such as long life (longevity), high reliability, no commutation Spark, low to noise and soon but eliminates the mechanical Contact of brush with commutation.http://www.16sheji8.cn/
This text analyzes and designs brush less DC motor drive system detailed. During the design select the number of phase. Pole and slot and indicates the rule followed, depending on the structure features and performance characteristic of DC motor, and design 240w brush less DC motor based on armature reaction, and analyzes detailed Hoer position sensor and the control and drive of rush less DC motor.
Keywords：brush less DC motor；Hoer position sensor；control；Drive.
第1章 无刷直流电动机的发展和研究状况
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。传统的直流电动机存在换向器，因而存在碳刷磨损和碳刷粉末玷污线圈绝缘及其它零部件问题，由此带来火花、维护困难、寿命短等致命缺陷，但直流电动机的调速性能好，起动性能好，故在调速性能要求高的场合，可用直流电动机。随着电子技术的迅速发展和高能永磁材料的出现，能使直流电动机做得和交流电动机一样结构简单，耐用，而又具有良好的性能。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。无刷直流电动机是以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电子技术、数字电子技术和各种物理原理为后盾。因此它具有很强的生命力。
1.1 无刷直流电动机的发展和特点
研究和分析微特电机的应用和发展，人们肯定会得出这样的看法和结论：无刷直流电动机将会持续目前迅速发展的势头，并将在要求高性能的应用领域中逐步取代其他类型的电机，占主导地位。
由于无刷直流电动机保持着有刷直流电动机的优良控制特性,在电磁结构上和有刷直流电动机一样,但它的电枢绕组放在定子上,转子上放永久磁钢。无刷直流电动机的电枢绕组相交流电机的绕组一样,采用多相形式,经由驱动器接到直流电源上,定子采用位置传感器实现电子换向代替有刷电机的电刷和换向器,各相逐次通电产生电流,和转子磁极主磁场相互作用,产生转矩。http://www.16sheji8.cn/
和有刷直流电机相比,无刷直流电动机由于革除了电的滑动接触机构,因而消除了故障的主要根源。由于转子上没有绕组,因此就没有电的损耗。又由于主磁场是恒定的,因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时,电枢磁势的轴线是脉动的,会在转子铁心内产生一定的铁损)。总的来说,除了轴承旋转产生摩擦损耗外,转子的损耗很小,因而进一步增加了工作的可靠性。
随着电子技术的进步,电子工业的发展,电子元器件的价格不断下降。考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗等)之后,无刷直流电机的应用正处于上升趋势。下表是与其它电机的综合特性比较。
性能
系统 机械特性 过载能力 可控性 平稳性 噪音 电磁干扰 维修性 寿命 体积 效率 成本
交流异步电机有刷直流电机无刷直流电机 软 硬 硬 小 大 大 难 易 易 较差较好好 较大大 小 小 严重 小 易 难 易 长短长 大 较小小 低高低 低 较高较高
以上分析可以看出,在工业应用中,无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显优势。近几年,随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高,无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业中的应用越来越广泛。
1.2 无刷直流电动机的研究和开发进展
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(一种永磁式同步电动机)。其转子是由永久磁铁组成,定子上存在着多相绕组,如图1所示的是常用的三相无刷电机的结构系统示意图。
除此之外,有人已经开发研制了高性能的五相直流无刷电机,高性能价格比的两相无刷直流电动机。它们使用的都是直流电源,通过如图1所示的闭环控制线路,将直流电源按照给定的顺序轮流地接通各相绕组,使无刷电动机达到给定的运行特性。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2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。http://www.16sheji8.cn/
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永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。其次稀土永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,要考虑到永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。[20]
1.2.1 我国稀土永磁材料的性能和价格
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。我国研究的稀土永磁材料在最大磁能积方面已达到国际先进水平,生产能力已超过千吨,目前已能正常批量生产工作温度为120～150℃甚致更高的钕铁硼永久磁铁。防腐技术已经基本解决,成品交货价格大约300元/kg左右,但与国外相比,仍存在较大的差距,主要是我国生产的钕铁硼永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永磁材料性能指标和测试方法的统一标准,因此永磁材料的质量难以保证,因而影响永磁电机质量的稳定性.[7]
1.2.2 优化电机磁路结构设计和加工制造工艺
由于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,提高永磁电机的性能价格比是至关重要的。因此在设计无刷永磁电机时要充分考虑到上述两点。目前我国永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,从而使盘式无刷电机本体的性能价格比最高2～4倍。http://www.16sheji8.cn/
