《空調(diào)壓縮機(jī)用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《空調(diào)壓縮機(jī)用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（86頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、摘 要 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有慣量小、控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)良特性，因此在航天、機(jī)器人、空調(diào)等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本課題針對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 針對(duì)空調(diào)用無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)公式及方法，以及考慮到降低電機(jī)的振動(dòng)和噪音問(wèn)題，設(shè)計(jì)了永磁無(wú)刷直流電機(jī)兩臺(tái)，普通型6極36槽和多極少槽型8極9槽電機(jī)。借助Ansoft軟件設(shè)計(jì),兩種電機(jī)進(jìn)行比較表明：選擇近似極槽的多極少槽電機(jī)，進(jìn)一步選擇適當(dāng)?shù)臉O弧系數(shù)，能大大降低齒槽轉(zhuǎn)矩,但是運(yùn)行效率卻比普通型電機(jī)低很多.所以，多極少槽電機(jī)在空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)中暫不可行。 另外，無(wú)傳感器控制技術(shù)是無(wú)刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文

2、采用 PIC18F4580芯片對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，詳細(xì)討論了在去掉位置傳感器的情況下無(wú)刷直流電機(jī)如何換相以及速度的提取問(wèn)題，并且進(jìn)行了相應(yīng)的系統(tǒng)硬件。為了提高BLDCM的調(diào)速性能，本文采用速度、電流的雙閉環(huán)控制，并給出了其實(shí)現(xiàn)方法。 本課題主要包括五部分：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介，初始數(shù)據(jù)方案設(shè)計(jì)，Ansoft軟件輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)PIC 單片機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)論分析。通過(guò)這五部，本文完成了空調(diào)壓縮機(jī)用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)及相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī),優(yōu)化設(shè)計(jì),多極少槽,控制系統(tǒng) III The BLDCM optimization design and

3、 the application used in air-condition compressor Abstract The BLDCM optimization design and the application used in air-condition compressor Abstract Permanent magnet brushless direct current motor(BLDCM) has good characteristic such as small inertia、easily controlled 、dynamic function well , t

4、herefore it has got extensive use in many field such as aerospace, robot, air-condition compressor control machine tool. The subject aimed at the air-condition , has designed the BLDCM and corresponding control system. Through BLDCM design formula and the method used in the air conditioning, as wel

5、l as considering reduce motors vibration and the noise, the paper design two permanent magnetism BLDCM, including the 6 pole 36 slot and the multipolar few slot such as 8 pole 9 pole motor. With the aid of the Ansoft software ,design indicate that choosing multipolar few slot motor belong to the ap

6、proximate pole and slot, further choosing the suitable pole-arc coefficient, can reduce the cogging torque greatly, but the efficiency is actually low compared to common motor. Therefore, the multipolar few slot motor are not feasible temporarily in the air conditioning compressor motor. Sensorless

7、 control technology has been a hot research in BLDCM control domain. This paper introduces the control system design for brushless DC motor based on PIC18F4580, discusses in detail the current commutation and motor speed withdraw problem without the position sensor, and designs the corresponding sof

8、tware circuit. In order to improve speed control performance of motor, this paper adopts the double-closed-loop control strategy and gives the corresponding implement methods. The subject include five part: BLDCM simple introduction, designing initial data scheme, Ansoft carrying out verification

9、on electromagnetism design , designing PIC monolithic machine controls system. Above five part, this subject have accomplished the air-condition compressor with BLDCM design and control system design. Key Words：BLDCM, optimization design，multipolar few slot, control system Error! Reference sou

10、rce not found. 目 錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1課題研究的目的和意義 1 1.2空調(diào)用無(wú)刷直流電機(jī)的研究現(xiàn)狀 1 1.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有待研究的問(wèn)題 1 1.4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主要用途 2 1.5課題研究的背景和意義 3 1.6本文的主要工作及安排 3 第二章 永磁無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介 4 2.1無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 4 2.2無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 5 2.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 6 2.4無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 7 第三章 空調(diào)壓縮機(jī)用無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì) 9 3.1電機(jī)設(shè)計(jì)的主要約束條件 9 3

11、.2電機(jī)的設(shè)計(jì)方案的確定 9 3.3電機(jī)材料的選擇 11 3.3.1 永磁體材料 12 3.3.2 鐵心材料 13 3.3.3 磁路結(jié)構(gòu) 14 3.4主要磁路系數(shù)的選擇 15 3.4.1 空載漏磁系數(shù) 15 3.4.2 極弧系數(shù) 16 3.4.3 氣隙系數(shù) 17 3.5 無(wú)刷直流電機(jī)主要尺寸的選擇 18 3.5.1 電樞直徑和電樞鐵芯長(zhǎng)度 18 3.5.2 電磁負(fù)荷的選擇 19 3.5.3 定子槽數(shù)和極數(shù)的選擇 19 3.5.4 槽形及沖片尺寸選擇 22 3.5.5 氣隙長(zhǎng)度的選擇 23 3.6電機(jī)磁路設(shè)計(jì) 24 3.6.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 24 3.6.2 轉(zhuǎn)

12、子有效長(zhǎng)度 25 3.6.3 磁鋼尺寸的選擇 25 3.7 設(shè)計(jì)流程圖 27 3.8 電磁設(shè)計(jì)方案 28 第四章 Maxwell輔助設(shè)計(jì)及分析 30 4.1 Maxwell軟件簡(jiǎn)介 30 4.2 樣機(jī)初始規(guī)格 31 4.3 電機(jī)優(yōu)化結(jié)果 31 4.4 性能分析及討論 34 第五章 降低齒槽轉(zhuǎn)矩的分析與討論 36 5.1 引言 36 5.2 分析步驟 37 5.2.1 轉(zhuǎn)矩特性分析 37 5.2.2 齒槽轉(zhuǎn)矩的傅立葉分析 37 5.2.3 極弧長(zhǎng)度的選擇 39 5.3 有限元分析 39 5.3.1 有限元分析模型 39 5.3.2 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路模型 40 5

13、.3.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及其分析 41 5.4 分析結(jié)果討論 44 5.5 兩臺(tái)樣機(jī)的比較分析 45 5.5.1 兩臺(tái)樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)比較 45 5.5.2 兩臺(tái)樣機(jī)計(jì)算結(jié)果比較 46 第六章 無(wú)刷直流電機(jī)在空調(diào)壓縮機(jī)中的應(yīng)用 47 6.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 47 6.2閉環(huán)調(diào)速方案設(shè)計(jì) 48 6.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速方案 48 6.2.2 速度測(cè)量方案 49 6.3系統(tǒng)核心控制器選擇 50 6.3.1 PIC系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 50 6.3.2 PIC系列單片機(jī)優(yōu)勢(shì) 51 6.4無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方案的選擇 52 6.4.1“反電勢(shì)法”BLDCM控制原理 54 6.4.

14、2“反電勢(shì)法”BLDCM起動(dòng)方法研究 56 6.5系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 57 6.5.1 系統(tǒng)功能要求 57 6.5.2 系統(tǒng)硬件組成 58 6.5.3 系統(tǒng)開(kāi)關(guān)主電路設(shè)計(jì) 58 6.5.4 電源電路設(shè)計(jì) 59 6.5.5 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 60 6.5.6 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 61 6.5.7 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 62 6.5.8 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 63 6.6 電機(jī)控制板 64 第七章 結(jié)論 65 7. 1論文工作成果 65 7. 2存在的不足和有待完善的工作 66 參考文獻(xiàn) 67 附錄A 6極36槽電機(jī)設(shè)計(jì)清單 71 附錄B 8極9槽電機(jī)設(shè)計(jì)清單 73 附錄C 無(wú)

15、位置傳感器BLDCM控制原理圖 75 在學(xué)研究成果 76 致 謝 77 3 Error! Reference source not found. 第一章 緒論 1.1課題研究的目的和意義 近幾年來(lái)，磁性材料與電力電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得永磁電機(jī)不僅可以獲得高功率密度，也減少了電機(jī)的體積和重量，并且因沒(méi)有同感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流損耗而使效率進(jìn)一步提高。由于永磁電機(jī)具有高效率和高功率因數(shù)，有待取代傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)，成為各種科技產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，例如：空調(diào)、航空、工具機(jī)、機(jī)器人、OA機(jī)器及精密紡織等。 由于客戶對(duì)于品質(zhì)的要求日益提高，針對(duì)電機(jī)所產(chǎn)生的振動(dòng)及噪音問(wèn)題也更為關(guān)注，

16、振動(dòng)和噪音對(duì)于電機(jī)整體的性能影響很大，如效率和轉(zhuǎn)速方面。電機(jī)的振動(dòng)也好似產(chǎn)品功能的一種障礙，更是可靠度及使用壽命的重要指標(biāo)之一。然而造成電機(jī)振動(dòng)噪音的來(lái)源非常多，如加工制造商的不精確而造成的軸彎曲、質(zhì)量不平衡、軸偏心以及電機(jī)本身結(jié)構(gòu)上的諧波磁場(chǎng)、鐵心飽和及長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)造成軸承的磨損等等。 本論文將針對(duì)表面型永磁無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行各項(xiàng)特性分析比較。 1.2空調(diào)用無(wú)刷直流電機(jī)的研究現(xiàn)狀 永磁無(wú)刷直流電機(jī)和永磁直流電機(jī)相比，最大的特點(diǎn)就是沒(méi)有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，其轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁，沒(méi)有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組通常裝在外面的定子上，熱阻較小，散熱容易。因此，永磁無(wú)刷直流電機(jī)在保持

17、了普通直流電機(jī)良好的調(diào)速和啟動(dòng)性能的同時(shí)，還具有無(wú)換向火花及無(wú)線電干擾，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。一般認(rèn)為，永磁無(wú)刷直流電機(jī)既具有永磁有刷直流電機(jī)優(yōu)良的機(jī)械特性和控制特性，又克服了有刷電機(jī)的缺點(diǎn)，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 1.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有待研究的問(wèn)題 (1) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：目前，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)存在的最重要的問(wèn)題就是存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由于轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)，使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制，尤其是在直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的場(chǎng)合，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使得電機(jī)速度控制特性惡化。尤其是用于視聽(tīng)設(shè)備、空調(diào)中的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，更要求運(yùn)行平穩(wěn)、沒(méi)有噪音。因而抑制或消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成為提高無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵

18、。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有：齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，由換相電流引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。目前，各高校以及科研機(jī)構(gòu)提出了各種抑制或削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，這些研究無(wú)法根本上消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因而，有待于進(jìn)一步的研究。 (2) 無(wú)位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法：無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)中，最常見(jiàn)和應(yīng)用最廣泛的是反電動(dòng)勢(shì)法。但該方法是在忽略電樞反應(yīng)的基礎(chǔ)上的進(jìn)行的，在原理上存在誤差，對(duì)于大功率無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁密的影響更明顯，誤差也就更大。另一方面，電機(jī)在啟動(dòng)和低速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為零或很小，很難通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)存在啟動(dòng)問(wèn)題。因此，如何克服反電動(dòng)勢(shì)法中

19、電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題，是急需解決的。對(duì)于啟動(dòng)問(wèn)題，一般采用三段式啟動(dòng)方法再切換到無(wú)位置傳感器的正常運(yùn)行。 (3) 最佳換向：最佳換向是為了使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩最大，脈動(dòng)最小，實(shí)現(xiàn)效率最高的基點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換。最佳換相，包括最佳換向邏輯和最佳換相位置兩個(gè)方面的含義，前者解決如何換向，后者解決什么時(shí)候換向。在最佳換向邏輯的研究中，大多是采用一套固定的有關(guān)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和功率開(kāi)關(guān)管的真值表，而缺乏系統(tǒng)的概括性更強(qiáng)的理論研究。盡管在理想狀態(tài)下的最佳換向邏輯的研究比較透徹，但是在電機(jī)設(shè)計(jì)工作過(guò)程中最佳換向位置的研究還不夠，實(shí)際運(yùn)行的電機(jī)不同于理想電機(jī)，在理想電機(jī)中所忽略掉的次要因素實(shí)際上都會(huì)不同程度地影響最

20、佳換向位置。因此，這就要求研究投入更多的精力。 1.4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主要用途 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是隨著電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型機(jī)電一體化電動(dòng)機(jī)。它是電子技術(shù)和電動(dòng)機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，由電動(dòng)機(jī)和電子驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。具有與普通直流電動(dòng)機(jī)相似的線性機(jī)械特性和線性轉(zhuǎn)矩、電流特性。關(guān)鍵特征:需要多相逆變器驅(qū)動(dòng)；由于沒(méi)有電刷和換向器，即使在很高的轉(zhuǎn)速下，可得到較高的可靠性；有較高的效率；低的EMI；總系統(tǒng)成本比直流電動(dòng)機(jī)高；可實(shí)施無(wú)傳感器控制。 由于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用:在計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公室自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用。在家用電器中的應(yīng)用，例如音像設(shè)備、家用洗衣機(jī)、空調(diào)裝置的應(yīng)用。在汽車、電動(dòng)

21、自行車等交通工具中的應(yīng)用。在醫(yī)用領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如高速離心機(jī)、心臟泵等的應(yīng)用。 此外，在特殊環(huán)境條件下，如潮濕、真空以及有害物質(zhì)的場(chǎng)所，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。其中，軍事和航天領(lǐng)域是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最先得到應(yīng)用的領(lǐng)域。 1.5課題研究的背景和意義 隨著大功率開(kāi)關(guān)器件、集成電路及高性能磁材料的進(jìn)步，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)得到了快速發(fā)展，并成為驅(qū)動(dòng)先進(jìn)制冷系統(tǒng)的發(fā)展方向。但在目前國(guó)內(nèi)的絕大部分變頻空調(diào)中，壓縮機(jī)效率與功率因數(shù)較低，噪聲較大，對(duì)變頻器容量要求高。將永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到壓縮機(jī)中，則可以克服這些缺點(diǎn)，且不受電源頻率限制，壓縮機(jī)的額定轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得較高，既可以優(yōu)化壓縮機(jī)的

22、運(yùn)行功率，又可以減小壓縮機(jī)的體積。傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法是采用電子式或機(jī)電式位置傳感器直接測(cè)量，然而傳感器有的分辨率低或運(yùn)行特性不好，有的對(duì)環(huán)境條件很敏感，如振動(dòng)潮濕和溫度變化都會(huì)使性能下降，使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性難以得到保證。由于壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)往往是密封的，連線眾多的位置傳感器會(huì)降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性，加之制冷劑的強(qiáng)腐蝕性，常規(guī)的位置傳感器很難正常工作。因此，采用無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有很多的優(yōu)越性。 1.6本文的主要工作及安排 (1) 學(xué)習(xí)無(wú)刷直流電機(jī)原理，學(xué)習(xí)無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)，定子部分，轉(zhuǎn)子部分的設(shè)計(jì)。使用公式流程設(shè)計(jì)兩臺(tái)樣機(jī)，使用Ansoft軟件進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)

23、行結(jié)果分析。 (2) 無(wú)位置傳感器控制方法的選擇，文章選用了反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。 (3) 硬件電路設(shè)計(jì)。搭建基于PIC18F4580單片機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (4) 系統(tǒng)調(diào)試。對(duì)搭建的基于PIC18F4580單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使該系統(tǒng)具有良好的控制性能。 - 75 - Error! Reference source not found. 第二章 永磁無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM: Brushless Direct Current Motor)是近幾十年隨著電力電子技術(shù)而迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型電動(dòng)機(jī)，其基本原理就是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)逆

24、變電路的功率開(kāi)關(guān)元件，反映轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)，使電樞繞組依照一定的順序饋電，從而在氣隙中產(chǎn)生步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[1_2]。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換[3-4]。 2.1無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種可控制變頻的永磁同步電動(dòng)機(jī)，與永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，就是通入的電流為方波而非正弦波[5]。就其基本組成結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是由直流電源、電力電子換相電路、永磁無(wú)刷直流電機(jī)和磁極位置檢測(cè)電路組成的“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”，其中電子換相電路又由功率逆變電路和控制器組成。框圖如圖2.1所示：

25、 圖2.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 Fig. 2.1 BLDCM structure diagram 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組在定子上，永磁體在轉(zhuǎn)子上。與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子為永磁體，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，由多相繞組組成，結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)類似[6]。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，在鐵心中嵌入多相繞組(三相、四相、五相不等)，繞組可接成星形或角形，并分別與逆變器的相應(yīng)功率管相連，以便進(jìn)行合理?yè)Q相。 在樣機(jī)設(shè)計(jì)中，用反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的位置傳感器，這樣使得電機(jī)的成本明顯減小[7]。過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路將檢

26、測(cè)到的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)送入處理器，信號(hào)處理后，就形成有序的換相邏輯，觸發(fā)相應(yīng)的功率管使特定的相導(dǎo)通。 2.2無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本組成主要由電動(dòng)機(jī)主體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)電路三部分組成[8]。一般的直流電機(jī)由于電刷的換相，使得由永久磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[9]。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電動(dòng)機(jī)基本相同，即在一個(gè)具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通過(guò)的電流總量恒定，以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)[10]。 BLDCM轉(zhuǎn)子的氣隙磁通為梯形波，電樞的感

27、應(yīng)電動(dòng)勢(shì)亦為梯形波，大小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。BLDCM三相電樞繞組的每相電流為120通電型的交流方波，反電動(dòng)勢(shì)為120梯形波。只要控制好逆變器各橋臂功率器件的開(kāi)關(guān)時(shí)刻就能滿足上述要求。但是需要確定方波電流的通電時(shí)刻與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形、轉(zhuǎn)子磁極位置有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，否則會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使平均轉(zhuǎn)矩減小[11]。 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組主回路基本類型有三相半控和三相全控兩種，三相半控電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，一般采用圖2.2所示的三相全控式電路結(jié)構(gòu)，在該電路中，電動(dòng)機(jī)的繞組為星型聯(lián)接。圖2.2中的主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻調(diào)制波的對(duì)稱交變矩形波。 隨著永磁體的

28、N-S極交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120的U、V、W方波,邏輯控制單元通過(guò)判斷位置傳感器信號(hào)而產(chǎn)生PWM相序來(lái)控制T1、T2……T6六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通,使之工作在兩兩通電，三相六狀態(tài)方式，兩兩通電方式是指每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通,每隔60電角度換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管每次導(dǎo)通120電角度。各功率管導(dǎo)通順序依次為T(mén)1-T4導(dǎo)通、T1-T6導(dǎo)通、T3-T6導(dǎo)通、T3-T2導(dǎo)通、T5-T2導(dǎo)通、T5-T4導(dǎo)通。也就是說(shuō)將直流母線電壓依次加在BLDCM的定子繞組A+B、A+C、B+C、B+A、C+A、C+B上，在這種控制方式下，得到理想的相電動(dòng)勢(shì)和電流波形。 圖2.

29、2 BLDCM三相全控式結(jié)構(gòu)圖 Fig.2.2 BLDCM three-phase all control structure drawing 2.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 以二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，分析BLDCM的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為了便于分析，假定： (1) 三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)方波，定子電流、 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布皆對(duì)稱； (2) 忽略齒槽、換相過(guò)程和電樞反應(yīng)等的影響； (3) 電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布； (4) 磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗。 則三相繞組的電壓平衡方程可表示為： (2.1) 其中，、、為定子相繞組

30、電壓，、、為定子相繞組電流，、、為定子相繞組電動(dòng)勢(shì)，為每相繞組的自感，為每?jī)上嗬@組間的互感，為微分算子。 對(duì)于三相繞組星形連接，且無(wú)中線，則有： (2.2) 并且有： (2.3) 將式2.1、2.2和2.3經(jīng)過(guò)整理，得到的電壓方程為： (2.4) 根據(jù)電壓方程式2.3可得到電機(jī)的等效電路圖，如圖2.4所示： 圖2.3 永磁無(wú)刷直流電

31、動(dòng)機(jī)的等效電路 Fig. 2.3 Equivalent Circuit Figure of PM BLDCM 電壓方程式2.4可寫(xiě)成如下形式： (2.5) 電磁轉(zhuǎn)矩方程為： (2.6) 由式2.6可以看出，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大小與相繞組的電流和反電動(dòng)勢(shì)的幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。 2.4無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) (1) 向高效節(jié)能方向發(fā)展：高效是指滿載時(shí)效率高，節(jié)能是指綜合節(jié)能效果。如效率相同，但使用對(duì)象不同，節(jié)電效果也不同。一般的稀土永磁同步電機(jī)，平均

32、節(jié)電率高達(dá)10％，某些專用稀土永磁同步電機(jī)，如油田抽油機(jī)用電機(jī)，節(jié)電率高達(dá)15％～20％。 電動(dòng)機(jī)的節(jié)能分兩個(gè)方面。一方面是改革異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高效率和其他性能。歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，提高電機(jī)效率重點(diǎn)放在異步電動(dòng)機(jī)上，英國(guó)三相異步電動(dòng)機(jī)的用電量占電動(dòng)機(jī)總用電量的86％。其次是發(fā)展永磁同步電動(dòng)機(jī)，可以取得更高的節(jié)電效果。根據(jù)我國(guó)國(guó)情，高性能的稀土永磁材料釹鐵硼的產(chǎn)量現(xiàn)已居世界第一位，價(jià)格也趨向合理。統(tǒng)計(jì)資料表明，中小型永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率可提高5％，節(jié)電率10％，某些專用永磁同步電機(jī)節(jié)電達(dá)15％～20％。所以發(fā)展永磁同步電動(dòng)機(jī)是電機(jī)工業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。 (2) 向機(jī)電一體化方向發(fā)展：要提

33、升傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品的水平，必須緊緊抓住機(jī)電一體化這個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，是發(fā)展各種機(jī)電一體化需用的各種高性能稀土永磁電機(jī)，如數(shù)控機(jī)床用伺服電機(jī)，計(jì)算機(jī)用VCM音圈電機(jī)。一臺(tái)60把刀加工中心，要配備30臺(tái)伺服電機(jī)。變頻調(diào)速稀土永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。 (3) 向高性能方向發(fā)展：現(xiàn)代化裝備向電機(jī)工業(yè)提出各種各樣的高性能要求，如軍事裝備要求提供給各種高性能信號(hào)電機(jī)，移動(dòng)電站，自動(dòng)化裝備用伺服系統(tǒng)及電機(jī)，航空航天用高性能、高可靠性永磁電機(jī)，化纖設(shè)備用高調(diào)速精度變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)，數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人用高調(diào)速比稀土永磁伺服電機(jī)，計(jì)算機(jī)用高精度擺動(dòng)電機(jī)及主軸電機(jī)等等。

34、(4) 向?qū)Ｓ秒姍C(jī)方向發(fā)展：電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載千變?nèi)f化，如全部采用通用型電動(dòng)機(jī)，在某些情況下，技術(shù)經(jīng)濟(jì)很不合理。因此國(guó)外大力發(fā)展專用電機(jī)，專用電機(jī)約占總產(chǎn)量的80％，通用電機(jī)占20％。而我國(guó)恰恰相反，專用電機(jī)只占20％，通用型電機(jī)占80％。專用電機(jī)是根據(jù)不同負(fù)載特性專門(mén)設(shè)計(jì)的，如油田用抽油機(jī)專用稀土永磁電機(jī)，節(jié)電率高達(dá)20％，這方面的節(jié)能潛力很大。電機(jī)工作者不僅要研究電機(jī)本身，更應(yīng)當(dāng)研究所驅(qū)動(dòng)負(fù)載的特性，設(shè)計(jì)出性能先進(jìn)、運(yùn)行可靠、價(jià)格合理的稀土永磁電機(jī)產(chǎn)品。 (5) 向輕型化方向發(fā)展：航空航天產(chǎn)品，電動(dòng)車輛、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療器械、便攜式光機(jī)電一體化產(chǎn)品等，都對(duì)電機(jī)提出體積小、重量輕的嚴(yán)格

35、要求。有些還對(duì)產(chǎn)品形狀提出要求，如信息產(chǎn)品提出扁平化，世界上最小的電機(jī)已達(dá)到φ0.8mm，102mm，用于醫(yī)療檢測(cè)。 Error! Reference source not found. 第三章 空調(diào)壓縮機(jī)用無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì) 3.1電機(jī)設(shè)計(jì)的主要約束條件 樣機(jī)設(shè)計(jì)方案涉及的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，在轉(zhuǎn)子鐵心表面安裝永磁體的結(jié)構(gòu)形式，該電機(jī)性能指標(biāo)要求如表3.1所示。 表3.1 性能指標(biāo)要求 Tab. 3.1 Demands of performance indication 性能指標(biāo) 參數(shù) 1 額定電壓(V) 416 2 定子外徑(mm) ≤

36、140 3 軸向長(zhǎng)度(mm) ≤160 4 電機(jī)側(cè)母線電流(A) ≤15 5 電機(jī)所需最大轉(zhuǎn)速(r/min) 4000 6 電機(jī)所需最大負(fù)載轉(zhuǎn)據(jù)(Nm) 16 可見(jiàn)，電機(jī)不僅要求在低轉(zhuǎn)矩的和高轉(zhuǎn)矩之間進(jìn)行切換，還要求具有一定的調(diào)速范圍，并且還限制了母線電流。對(duì)電機(jī)而言，要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，這就要求要么調(diào)節(jié)電機(jī)繞組匝數(shù)，要么繞組電流，以達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。為了減小繞組電流，只能增加繞組匝數(shù)。另一個(gè)問(wèn)題是電機(jī)要求有相對(duì)較高的轉(zhuǎn)速，在電樞繞組匝數(shù)較多的情況下會(huì)使反電動(dòng)勢(shì)變得很大，甚至在理論計(jì)算上超出電源電壓，這是不可能的，所以匝數(shù)又要選的足夠小，這就給設(shè)計(jì)增加了復(fù)雜性。當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)

37、時(shí)運(yùn)行需求的兩種轉(zhuǎn)矩相差不大時(shí)，傳統(tǒng)的無(wú)刷直流機(jī)的設(shè)計(jì)方法及其所設(shè)計(jì)的電機(jī)即可滿足要求。 3.2電機(jī)的設(shè)計(jì)方案的確定 (1) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案的選擇：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）由于采用了高性能永磁材料，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子體積得以減小，可以具有更低的慣性、更快的響應(yīng)速度、更高的轉(zhuǎn)矩慣量比。 2）由于沒(méi)有轉(zhuǎn)子損耗，也無(wú)需定子勵(lì)磁電流分量，所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有較高的效率和功率密度。 3）由于沒(méi)有轉(zhuǎn)子發(fā)熱，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也無(wú)需考慮轉(zhuǎn)子冷卻問(wèn)題。 4）可靠性高，壽命長(zhǎng)，不必經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)和修理，無(wú)電氣接觸火花。 5

38、）可在高轉(zhuǎn)速下工作，專門(mén)設(shè)計(jì)的高速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，機(jī)械噪聲低。 6）發(fā)熱的繞組安放在定子上，便于溫度監(jiān)控，易得到高功率密度。 7）必須與一定的電子換向電路配套使用，從而使總體成本增加，但從控制的角度看，有更大的使用靈活性。 永磁同步電動(dòng)機(jī)把交流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜的磁場(chǎng)定向控制轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子位置定向控制，而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)則進(jìn)一步將其簡(jiǎn)化為離散六狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置控制，也無(wú)需坐標(biāo)變換。與永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也具有明顯的優(yōu)勢(shì)： 1）無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用方波電流供電，可以提供更高的轉(zhuǎn)矩體積比。 2）在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的梯形波的磁場(chǎng)分布和梯形波的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)要比產(chǎn)生正弦波

39、的簡(jiǎn)單，因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低。 3）對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，由于定子電流是轉(zhuǎn)子位置的正弦函數(shù)，系統(tǒng)需要高分辨率的位置傳感器，構(gòu)造復(fù)雜，價(jià)格昂貴。 4）產(chǎn)生方波電壓和電流的變頻器比產(chǎn)生正弦波電壓和電流的變頻器要簡(jiǎn)單，控制也簡(jiǎn)單得多，因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、控制器成本較低。 采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)方案時(shí)，應(yīng)使梯形波平頂寬度大于120電角度，即極弧寬度大于120電角度，此時(shí)采用理想的矩形波電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)接近于0，而此時(shí)正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)較大[31]。 (2) 電樞繞組形式和開(kāi)關(guān)主電路的接法：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組形式，有星形式和封閉式兩類，電

40、子換向線路有橋式和非橋式之分，繞組相數(shù)也有兩相和多相之別。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組形式直接關(guān)系到逆變器、控制器的復(fù)雜程度以及系統(tǒng)性能，電機(jī)相數(shù)越多，則輸出的功率越大，力能指標(biāo)越高，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小，但逆變器需要的功率開(kāi)關(guān)器件相應(yīng)增加，從而使系統(tǒng)復(fù)雜化和成本提高。目前常用的繞組形式為三相繞組，對(duì)逆變器，三相橋式換向電路可實(shí)現(xiàn)較好的電機(jī)性能，但使用的開(kāi)關(guān)功率較多，價(jià)格較高；三相非橋式換向電路的開(kāi)關(guān)數(shù)量減少一半，較為經(jīng)濟(jì)。因此兩種逆變器接法適用于不同的場(chǎng)合，均獲得了廣泛的應(yīng)用。 (3) 無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方案的選擇：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是通過(guò)逆變器功率器件隨轉(zhuǎn)子的不同位置相應(yīng)地改變其不同觸發(fā)組合

41、狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)時(shí)切換功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài)是控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。和永磁電機(jī)所需要的連續(xù)位置信號(hào)相比，BLDCM僅僅需要幾個(gè)關(guān)鍵的換相時(shí)刻位置信息。目前國(guó)內(nèi)外比較典型的有反電動(dòng)勢(shì)法。 對(duì)于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電機(jī)來(lái)說(shuō)，反電勢(shì)法是一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法。由繞組反電勢(shì)波形直接反映轉(zhuǎn)子的位置，因此對(duì)于無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以利用繞組反電勢(shì)來(lái)間接獲取轉(zhuǎn)子的位置信息。三相繞組反電勢(shì)及相電流波形如圖3.1所示。對(duì)于采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式運(yùn)行的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)而言，三相繞組中在任意時(shí)刻總有一相處于斷開(kāi)狀態(tài)，檢測(cè)斷開(kāi)相的反電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其過(guò)零點(diǎn)時(shí)，

42、轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組重合，再延遲30電角度即為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相點(diǎn)。 圖3.1理想的相電勢(shì)和相電流波形 Fig.3.1 Ideal phase-electric potential and phase-current drawing 3.3電機(jī)材料的選擇 電機(jī)所有的材料包括導(dǎo)線材料，導(dǎo)磁材料及絕緣材料……等等，本節(jié)將介紹鐵芯和永磁體材料。永磁體材料的選擇對(duì)電機(jī)輸出功率、體積與價(jià)格具有相當(dāng)大的影響力。 3.3.1 永磁體材料 由于永久磁體具有相當(dāng)高的能量密度，因此已廣泛應(yīng)用在電機(jī)機(jī)械上，以取代傳統(tǒng)繞線式磁場(chǎng)，但永磁體等級(jí)與體積的大小是決定電機(jī)價(jià)格和使用性能的重要因素，如果

43、能認(rèn)真選擇永磁體等級(jí)和大小，則電機(jī)的價(jià)格可以大大的降低，且性能亦能提高。永磁體是一種具有高能量的物質(zhì)，在電機(jī)和其他機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛。在電機(jī)中，主要用到的永磁材料有鋁鎳鈷，鐵氧體和稀土永磁材料。 (1) 鋁鎳鈷永磁材料：鋁鎳鈷(AlNiCo)材料是由金屬鋁、鎳、鈷、鐵和其他微量金屬元素構(gòu)成的一種合金。其金屬成分的構(gòu)成不同，磁性能不同，從而用途也不同。鋁鎳鈷永磁有兩種不同的生產(chǎn)工藝：鑄造和燒結(jié)。鑄造鋁鎳鈷工藝可以加工生產(chǎn)成不同的尺寸和形狀，強(qiáng)度高，抗腐蝕能力強(qiáng)，具有良好的溫度穩(wěn)定性，最高工作溫度可達(dá)600℃以上。這種永磁材料有很高的剩磁，可達(dá)1.3T，可以提供較大的氣隙磁密，但是這種材料的

44、矯頑力很低，只有120kA/m，很容易退磁。 (2) 鐵氧體永磁材料：鐵氧體(Ferrite)材料是由鍶、鉛和鐵等元素組成，不含鎳鈷等貴重金屬，所以比較便宜。這種材料有較高的矯頑力，可達(dá)300kA/m，但是剩磁不高，只有0.2-0.44T，鐵氧體的溫度系數(shù)為正值，它的內(nèi)稟矯頑力隨著溫度的升高而增大，所以這種材料不適宜在零度以下的環(huán)境工作。 (3) 稀土永磁材料：在稀土永磁材料里，主要有稀土鈷(SmCo)和釹鐵硼（NdFeB）永磁材料。稀土鈷的主要特點(diǎn)剩磁和矯頑力都很高，剩磁在0.85-1.1T之間，矯頑力可達(dá)480-800KA/M，溫度系數(shù)也較低，穩(wěn)定性好，它的退磁曲線呈線性變化，所以分析

45、磁路較方便。 從表3.2中可以看出，對(duì)于釹鐵硼，是應(yīng)用最多的新型永磁材料，在正常溫度下，其剩磁可達(dá)1.29T，矯頑力可達(dá)987KA/M，這種材料退磁曲線也呈線性，是用來(lái)制造永磁電機(jī)的理想材料。但是它的溫度系數(shù)較高，在高溫下容易退磁，所以這種材料制作的電機(jī)在低溫下運(yùn)行特性很穩(wěn)定。所以本設(shè)計(jì)選擇了永磁體材料釹鐵硼。圖3.3為120下釹鐵硼材料的內(nèi)秉退磁曲線和退磁曲線（NdFeB-256H）。 表3.2 四種永久磁體材料特性比較 Tab.3.2 Four kind of permanent magnet materials behavior comparison 永磁 材料

46、 磁特性 物理 特性 剩磁 保磁力 最大磁 能積 磁導(dǎo)率 B溫度系數(shù) 密度 %/℃ NdFeB 13.6 10.5 11.0 46 1.05 -0.12 7.4 SmCo 11.2 6.7 6.9 31 1.03 -0.03 8.4 Ferrite 4.4 2.8 2.9 4.6 1.1 -0.18 5.0 AlNiCo 11.5 1.6 1.6 11 1.3 -0.02 7.3 圖3.6 120下釹鐵硼材料的內(nèi)秉退磁曲線和退磁曲線（NdFeB-256H） Fig.3.6

47、NdFeB materials hold in demagnetization and demagnetization curve under 120 3.3.2 鐵心材料 BLDCM的鐵耗主要集中在定子上，定子一般采用硅鋼片疊加而成，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，應(yīng)保證電機(jī)在額定工作點(diǎn)時(shí)，硅鋼片中磁感應(yīng)強(qiáng)度值在磁化曲線臨界飽和點(diǎn)附近，以達(dá)到充分利用材料的目的。 硅鋼片的種類很多，按照工藝分可以分為熱軋和冷軋兩種。冷軋鋼一般分為兩種，一種是含硅在1～3%的，比熱軋硅鋼片損耗系數(shù)小，磁導(dǎo)性好，平整度高；一種是無(wú)硅鋼片，含硅量在0.5%以下。硅鋼片本身為軟磁材料，軟磁材料的磁滯效應(yīng)較小，其較高的磁導(dǎo)率，

48、使得磁阻很小，這樣，小磁阻和高磁導(dǎo)使得電機(jī)在通入交流電時(shí)鐵心損耗很小。在電機(jī)正常工作時(shí)，由于電場(chǎng)的交變，在鐵心中會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，渦流損耗與很多因素有關(guān)，其中，硅鋼片的厚度是影響損耗大小的主要因素之一，硅鋼片越厚，損耗就越大，所以硅鋼片越薄越好，但是考慮到其機(jī)械強(qiáng)度，其厚度就不能小于0.3毫米，但在一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，已經(jīng)開(kāi)始采用0.1或0.2毫米的硅鋼片。 在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于電磁感應(yīng)，鐵心中就伴隨著渦流損耗和磁滯損耗，這是難以避免的，其大小可以由下式計(jì)算： 磁滯損耗： (3.1) 渦流損耗：

49、 (3.2) 其中，、是與材料有關(guān)的常數(shù)，為通過(guò)鐵心的最大磁密，是與材料有關(guān)的常數(shù)一般在1.5～2.5之間。為硅鋼片電阻率，為沖片厚度，可見(jiàn)，減小沖片厚度是非常必要的。 通過(guò)集中材料性價(jià)比的綜合考慮，定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心采用了D23號(hào)鋼。 圖3.2 軟磁材料B-H 磁化曲線 Fig.3.2 Soft magnetic material B-H magnetization curve 3.3.3 磁路結(jié)構(gòu) BLDCM在磁路結(jié)構(gòu)上最大的特點(diǎn)是永久磁鋼做轉(zhuǎn)子[11]。其結(jié)構(gòu)形式要根據(jù)具體的應(yīng)用要求和所選擇的永磁材料有關(guān)。無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式主要有外裝式、嵌入式、內(nèi)埋

50、式三種基本形式。前兩種形式又統(tǒng)稱為外裝式結(jié)構(gòu)，是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)常采用的的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式。 常用的三種結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁磁場(chǎng)波形如圖3.3所示（不考慮齒槽作用）： 圖3.3 稀土永磁轉(zhuǎn)子激磁磁場(chǎng)波形 Fig. 3.3 Field wave of rare-earth magnetic rotor 從圖3.3可以看出圖a)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，所以本設(shè)計(jì)的方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用瓦形永磁體徑向激磁方式。 3.4主要磁路系數(shù)的選擇 3.4.1 空載漏磁系數(shù) 空載漏磁系數(shù)是描述不經(jīng)過(guò)主磁路而直接回到磁極磁通大小的系數(shù)，把它定義為空載時(shí)永磁體向外磁路提供的總磁通與外磁路的主

51、磁通之比[12]。它反應(yīng)的是空載時(shí)永磁體向外磁路提供的總磁通的有效利用程度。當(dāng)大時(shí)，表明漏磁導(dǎo)相對(duì)較大，也就是在永磁體提供總磁通一定時(shí)，漏磁通相對(duì)較大而主磁通有所減少，永磁體的利用率就差；另外大，表明對(duì)電樞反應(yīng)的分流作用大，電樞反應(yīng)對(duì)永磁體兩端的實(shí)際作用值就小，永磁體的抗去磁能力就強(qiáng)。因而設(shè)計(jì)需要綜合考慮，適當(dāng)選取值。 在實(shí)際工程計(jì)算中，需要對(duì)三維場(chǎng)的直接求解，由于三維靜磁場(chǎng)計(jì)算比較復(fù)雜，通常用二維靜磁場(chǎng)來(lái)代替三維場(chǎng)，端部漏磁采用修正系數(shù)加以修正，于是，漏磁系數(shù)為3.3式，在初步估算時(shí)，也可以根據(jù)參照表3.3所示。 (

52、3.3) 式中為端部漏磁修正系數(shù)，。 表3.3 永磁無(wú)刷直流電機(jī)空載漏磁系數(shù) Tab.3.3 PM BLDCM idling leakage factor 磁極結(jié)構(gòu) 無(wú)極靴瓦片形 圓筒形 弧形 端面式 漏磁系數(shù) 1.1～1.3 1.2～1.4 1.3～1.4 1.5～1.6 3.4.2 極弧系數(shù) 極弧系數(shù)是描述在一個(gè)極距范圍下實(shí)際氣隙磁場(chǎng)分布情況的系數(shù)。其大小由磁場(chǎng)的分布曲線決定，因而它決定于勵(lì)磁磁勢(shì)分布曲線的形狀，空氣氣隙的均勻程度以及磁路的飽和程度。一般情況，氣隙磁通在一個(gè)極距范圍內(nèi)的分布曲線如圖3.4所示： 圖3.4 一個(gè)極下沿電

53、樞圓周方向的氣隙磁密分布 Fig.3.4 air gap magnetism dense distribution along armature circumference under one pole 每極磁通為如式3.4，極弧系數(shù)如式3.5： (3.4) ， (3.5) 其中，為氣隙磁密的平均值，為氣隙磁密最大值，顯然，是一個(gè)小于零的數(shù)。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，可假設(shè)每極氣隙磁通集中在一個(gè)極弧長(zhǎng)范圍內(nèi)，并認(rèn)為在這個(gè)范圍內(nèi)氣隙磁場(chǎng)分布均勻，那么極弧系數(shù)就為極弧計(jì)算長(zhǎng)度與極距之比：，如圖3.4所示。在正弦

54、分布的氣隙磁場(chǎng)中，極弧系數(shù)約為=0.637，但是在直流電機(jī)中，氣隙磁場(chǎng)一般為平頂波，所以極弧系數(shù)相對(duì)較大，一般取0.7以上。 3.4.3 氣隙系數(shù) 氣隙系數(shù)是一個(gè)描述電機(jī)因開(kāi)槽而影響了氣隙的有效長(zhǎng)度的系數(shù)。假設(shè)轉(zhuǎn)子表面光滑，定子鐵心表面開(kāi)槽，則槽口的存在使得氣隙磁阻增加而槽口處的磁通減少，導(dǎo)致氣隙磁通減少。為了維持主磁通為既定值，則齒頂處的氣隙磁密由無(wú)槽時(shí)的值增大到一個(gè)更大的值，所以開(kāi)槽后，最大氣隙磁壓降為： (3.6) 上式就定義了氣隙系數(shù)為： (3.7) 顯然，氣隙系數(shù)是一

55、個(gè)大于零的數(shù)，是計(jì)算氣隙長(zhǎng)度與實(shí)際氣隙長(zhǎng)度的比值，也是實(shí)際的氣隙最大磁通密度與計(jì)算時(shí)采用的最大磁通密度的比值。表明電機(jī)因?yàn)殚_(kāi)槽使得等效的氣隙長(zhǎng)度有所加長(zhǎng)，有槽時(shí)的氣隙長(zhǎng)度是無(wú)槽時(shí)氣隙長(zhǎng)度的倍。在永磁電機(jī)中，永磁體的磁導(dǎo)率與空氣的基本相等，永磁體的存在相當(dāng)于加大了氣隙長(zhǎng)度，依上面的分析方法，可用下式計(jì)算永磁電機(jī)的氣隙系數(shù)，其中，定義為槽寬縮減因子。 = (3.8) (3.9) 3.5 無(wú)刷直流電機(jī)主要尺寸的選擇 在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)主要的技術(shù)指標(biāo)和性能指標(biāo)對(duì)電機(jī)的主要尺寸進(jìn)行

56、確定，然后根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境及其他要求來(lái)選定定子、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，選擇合理的相數(shù)、槽數(shù)、極數(shù)的主要尺寸，再應(yīng)用Ansoft軟件對(duì)電機(jī)其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算和電機(jī)性能分析。 3.5.1 電樞直徑和電樞鐵芯長(zhǎng)度 在無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)中，主要尺寸指電樞直徑和電樞鐵芯長(zhǎng)度，除了可根據(jù)用戶實(shí)際使用中安裝尺寸要求或參考類似規(guī)格電機(jī)的尺寸確定外，它可根據(jù)給定的額定數(shù)據(jù)來(lái)選擇。它確定了電動(dòng)機(jī)的外形輪廓、重量以及材料費(fèi)用。轉(zhuǎn)子激磁和定子的電樞結(jié)構(gòu)決定了它們的大小，對(duì)于發(fā)揮不同種類稀土永磁材料的性能、保障電機(jī)的性能指標(biāo)和體積重量要求，起著至關(guān)重要的作用。在給定的功率和轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的主要尺寸基本取決于電磁負(fù)

57、荷的選取，其關(guān)系為： (3.10) 其中，為電樞直徑(m)，為電樞鐵心長(zhǎng)度(m)，為額定轉(zhuǎn)速(r/min)，A為電負(fù)荷(A/m)，為磁負(fù)荷(T)，為永磁體極弧系數(shù)，為電機(jī)計(jì)算功率(W)。 電機(jī)長(zhǎng)徑比的選擇對(duì)電機(jī)的性能、重量、成本有很大影響。在用次直流電機(jī)設(shè)計(jì)中，一般取。將代入公式3.10可得到電樞直徑的計(jì)算公式： (3.11) 從上式可以看出: (1) 在電磁負(fù)荷一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的體積與電磁功率成正比，與轉(zhuǎn)速成反比。 (2) 轉(zhuǎn)速一定時(shí)，若直徑不變而采用不同長(zhǎng)度，則可得到不同功率的電機(jī)。

58、 (3) 在技術(shù)指標(biāo)給定的情況下即電動(dòng)機(jī)電磁功率和轉(zhuǎn)速不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的主要尺寸很大程度上取決于所選的電磁負(fù)荷。電磁負(fù)荷選的越大，電動(dòng)機(jī)的尺寸就越小，材料越節(jié)省。但是隨著電磁負(fù)荷的增加，電機(jī)的銅耗、鐵耗會(huì)相應(yīng)增加，效率下降，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮電機(jī)的功耗和體積，合理選擇電機(jī)的電磁負(fù)荷。 (4) 輸入定子繞組的方波電流為120電角度，必須產(chǎn)生頂寬大于120的梯形反電動(dòng)勢(shì)波形，這就要求氣隙磁密的寬度也必須大于120電角度，即>0.667。 3.5.2 電磁負(fù)荷的選擇 直流電動(dòng)機(jī)的主要尺寸與所選擇的電負(fù)荷和磁負(fù)荷有密切關(guān)系，電勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)可根據(jù)設(shè)計(jì)要求和經(jīng)濟(jì)性，找到

59、最佳的電磁負(fù)荷值。 電機(jī)氣隙磁密主要由所選用的永磁材料的剩磁決定，與磁鋼的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，對(duì)表面凸出式的瓦形釤鈷或燒結(jié)釹鐵硼永磁體，比較容易產(chǎn)生方波氣隙磁密，氣隙磁密一般可達(dá)到0.6～0.85T。 A應(yīng)根據(jù)電機(jī)的具體工作方式及冷卻條件選擇。對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的永磁直流電動(dòng)機(jī)，若為小功率電機(jī)，電負(fù)荷一般為30～100A/cm；若為小型電機(jī)，電負(fù)荷為100～300A/cm。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)涉及空調(diào)壓縮機(jī)用無(wú)刷直流電機(jī)，功率5千瓦左右時(shí)的電磁負(fù)荷為基準(zhǔn)，再綜合考慮四季變化時(shí)的情況確定電機(jī)主要尺寸。預(yù)取電負(fù)荷為120A/cm，磁負(fù)荷為0.8T。 3.5.3 定子槽數(shù)和極數(shù)的選擇 (1) 相數(shù)的選擇：稀土永磁

60、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組由功率電子元件的開(kāi)關(guān)電路供電，不受工頻電源的限制，因此有較大的選擇范圍，一般選擇兩相、三相或四相。而五相以上則應(yīng)用的較少，相數(shù)太多會(huì)使換相變得更加復(fù)雜，但也有好處，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中即使有一相出現(xiàn)故障，但電機(jī)還是可以運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)槿币幌喽＾D(zhuǎn)，增加了電機(jī)運(yùn)行的可靠性?？傮w來(lái)說(shuō)，相數(shù)的選擇主要需考慮的因素有： 1）繞組的利用程度：稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是依次各相通電產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的，在同一時(shí)刻，不是所有的繞組都產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，所以繞組越多，其利用率就越低。 2）電子開(kāi)關(guān)電路的復(fù)雜程度：相數(shù)增加后，則電子線路上的開(kāi)關(guān)元件數(shù)會(huì)相應(yīng)增加，使電路復(fù)雜，換向元件數(shù)多了，損耗也就多，增加了成

61、本。 3）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小。由此可見(jiàn)，可以利用犧牲電機(jī)的體積和成本來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的削弱。相數(shù)的多少要滿足電機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求，一般相數(shù)多，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就大。本設(shè)計(jì)選用常用的三相電機(jī)。 (2) 極數(shù)的選擇：極數(shù)的選取主要參考電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子低速運(yùn)轉(zhuǎn)的直流無(wú)刷電機(jī)多數(shù)選取極數(shù)較多，高速運(yùn)行的情況下，選取極數(shù)較少[13]。還要考慮到材料利用率：若氣隙磁密及電樞直徑不變，則電機(jī)總的氣隙磁通不變，隨著極數(shù)的增加，每極磁通減少，可以有效的減少電樞及定子軛部尺寸，因而節(jié)約硅鋼片，減輕重量。極數(shù)與電機(jī)效率也有關(guān)：隨著極對(duì)數(shù)增加，鐵心磁場(chǎng)交變頻率增高，從而鐵心損耗增加，子器件換向損耗增加。雖然電

62、樞電流密度不變時(shí)，銅耗略有降低，但電機(jī)總的損耗增加，效率也就下降了。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間不像永磁同步電動(dòng)機(jī)有著如式3.12的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系, 其中，為同步電動(dòng)機(jī)供電頻率。 (3.12) 但無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)（通過(guò)反電勢(shì)）有一定的約束關(guān)系，以三相星形橋式六狀態(tài)電路為例，理想空載轉(zhuǎn)速為，其中，空載氣隙磁通。 (3.13) 在電機(jī)主要尺寸確定，選擇極對(duì)數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，參照直流電機(jī)極對(duì)數(shù)選擇方法作幾個(gè)方案比較，而不是一個(gè)唯一定數(shù)。若氣隙磁

63、密及電樞直徑不變，實(shí)際不變。隨著極數(shù)增加，每極磁通減少，使得電樞軛及定子軛部減少，用銅用鐵量減少，所以外轉(zhuǎn)子低速運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)刷電機(jī)多數(shù)選取極數(shù)較多。隨著極對(duì)數(shù)增加，鐵心磁場(chǎng)交變頻率增高，鐵耗增加，電子器件換向損耗增加。雖然電樞電流密度不變時(shí)，銅耗略有降低，電動(dòng)機(jī)的效率還是隨著極對(duì)數(shù)的增加而降低。極對(duì)數(shù)增多，電樞每相電感減少，對(duì)換相有利。 (3) 槽數(shù)的選擇：當(dāng)電機(jī)的主要尺寸確定了之后，槽數(shù)的多少主要取決于繞組匝數(shù)的數(shù)量，加工制作上的難程度易。一般來(lái)說(shuō)，槽數(shù)應(yīng)為相數(shù)和極數(shù)的整數(shù)倍，對(duì)于大功率或特殊用途的電機(jī)，為了提高電機(jī)性能，繞組也可以采用分?jǐn)?shù)槽。即槽數(shù)是相數(shù)的整數(shù)倍而不一定是極數(shù)的整數(shù)倍。而只要滿

64、足繞組對(duì)稱條件就能保證各相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對(duì)稱。 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，如采用整數(shù)槽，往往會(huì)產(chǎn)生定子的齒同轉(zhuǎn)子磁極相吸而產(chǎn)生類似于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定位力矩現(xiàn)象，這對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能產(chǎn)生了不良的影響,例如6極36槽電機(jī)能夠產(chǎn)生很大的齒槽力矩。采用分?jǐn)?shù)槽繞組的優(yōu)點(diǎn)之一就是能把定子齒和轉(zhuǎn)子磁極相互錯(cuò)開(kāi)，從而改善了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，例如8極9槽電機(jī)。分?jǐn)?shù)槽繞組的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，電樞槽數(shù)不僅可以不是極數(shù)的整數(shù)倍，而且槽數(shù)可以少于磁極數(shù)，只要滿足繞組對(duì)稱條件就能保證各相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對(duì)稱。 與整數(shù)槽相比，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽技術(shù)還有有如下優(yōu)點(diǎn)[13]： 1) 電樞沖片的齒槽數(shù)減少，便于電樞沖片和鐵心的制作，可減

65、少槽絕緣占據(jù)的空間，有利于槽滿率的提高。 2) 一般情況下，電樞繞組的第一節(jié)距y= 1 ，即每個(gè)齒上繞制一個(gè)集中線圈，從而可采用自動(dòng)繞線機(jī)繞制，可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低電動(dòng)機(jī)的制造成本。 3) 能顯著地縮短電樞線圈的端部長(zhǎng)度，節(jié)省銅材；可以減小電樞的漏抗，增加電動(dòng)機(jī)的出力，提高靈敏度和效率，電樞繞組漏抗的減小有利于電子換向。 4) 減小齒槽效應(yīng)。 常見(jiàn)的分?jǐn)?shù)槽繞組每極每相槽數(shù)為一個(gè)假分?jǐn)?shù)，式3.14中，為整數(shù)，為一不可約的真分?jǐn)?shù)，該種繞組的對(duì)稱條件及排列方法中已介紹。經(jīng)分析為真分?jǐn)?shù)時(shí)也能滿足繞組對(duì)稱條件。為真分?jǐn)?shù)時(shí)，可表示為式3.15：

66、 (3.14) (3.15) 式中，與為無(wú)公約數(shù)，當(dāng)不是或的倍數(shù)，如果各相繞組位移(為奇數(shù))或個(gè)槽距（為偶數(shù)），則該繞組必定是對(duì)稱的。 根據(jù)文獻(xiàn)[14]，并參考相似電機(jī)和實(shí)際的需要，本次設(shè)計(jì)選擇了槽、對(duì)極的極槽形式，屬于整數(shù)槽電機(jī)。槽、對(duì)極的極槽形式，屬于分?jǐn)?shù)槽電機(jī)。 (4) 繞組形式選擇 繞組分為整距繞組、短距繞組、集中繞組、分布繞組、單層繞組和雙層繞組，繞組形式的選取與電機(jī)的性能要求有關(guān)。當(dāng)電機(jī)功率不高時(shí)，通常選單層分布繞組；當(dāng)電機(jī)功率較大時(shí)，可以選用雙層繞組，這可以使得電機(jī)性能有所改善，并且工藝簡(jiǎn)單；雙層短距繞組還可以根據(jù)需要消除危害比較大的諧波，在無(wú)刷直流電機(jī)中采用雙層短距繞組，不僅可以消除諧波，還可以適當(dāng)提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速。集中繞組使用較少，主要在步進(jìn)電機(jī)中，在大多勵(lì)磁裝置中，都采用集中繞組，這樣可以產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度。 雙層繞組的線圈數(shù)等于槽數(shù)，每個(gè)槽有上下兩層，雙層有疊繞和波繞，這里選擇疊繞。例如槽、對(duì)，并聯(lián)支路數(shù)a=2，無(wú)刷電機(jī)中的整數(shù)槽繞組，和槽、，并聯(lián)