《空調(diào)壓縮機用無刷直流電動機及相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《空調(diào)壓縮機用無刷直流電動機及相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計（86頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、摘 要 永磁無刷直流電動機具有慣量小、控制簡單、動態(tài)性能好等優(yōu)良特性，因此在航天、機器人、空調(diào)等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本課題針對空調(diào)壓縮機，設(shè)計了無刷直流電動機以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 針對空調(diào)用無刷直流電機設(shè)計公式及方法，以及考慮到降低電機的振動和噪音問題，設(shè)計了永磁無刷直流電機兩臺，普通型6極36槽和多極少槽型8極9槽電機。借助Ansoft軟件設(shè)計,兩種電機進行比較表明：選擇近似極槽的多極少槽電機，進一步選擇適當(dāng)?shù)臉O弧系數(shù)，能大大降低齒槽轉(zhuǎn)矩,但是運行效率卻比普通型電機低很多.所以，多極少槽電機在空調(diào)壓縮機電機中暫不可行。 另外，無傳感器控制技術(shù)是無刷直流電機控制領(lǐng)域研究的熱點。本文

2、采用 PIC18F4580芯片對無刷直流電動機控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，詳細討論了在去掉位置傳感器的情況下無刷直流電機如何換相以及速度的提取問題，并且進行了相應(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，并給出了其實現(xiàn)方法。 本課題主要包括五部分：無刷直流電動機簡介，初始數(shù)據(jù)方案設(shè)計，Ansoft軟件輔助設(shè)計，設(shè)計PIC 單片機控制系統(tǒng)，結(jié)論分析。通過這五部，本文完成了空調(diào)壓縮機用無刷直流電動機進行設(shè)計及相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計。 關(guān)鍵詞：無刷直流電機,優(yōu)化設(shè)計,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)用無刷直流電機的研究現(xiàn)狀 1 1.3無刷直流電動機有待研究的問題 1 1.4無刷直流電動機的主要用途 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 永磁無刷直流電機簡介 4 2.1無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu) 4 2.2無刷直流電機的工作原理 5 2.3無刷直流電動機的數(shù)學(xué)模型 6 2.4無刷直流電機技術(shù)發(fā)展趨勢 7 第三章 空調(diào)壓縮機用無刷直流電機設(shè)計 9 3.1電機設(shè)計的主要約束條件 9 3

11、.2電機的設(shè)計方案的確定 9 3.3電機材料的選擇 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 無刷直流電機主要尺寸的選擇 18 3.5.1 電樞直徑和電樞鐵芯長度 18 3.5.2 電磁負荷的選擇 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 氣隙長度的選擇 23 3.6電機磁路設(shè)計 24 3.6.1 電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 24 3.6.2 轉(zhuǎn)

12、子有效長度 25 3.6.3 磁鋼尺寸的選擇 25 3.7 設(shè)計流程圖 27 3.8 電磁設(shè)計方案 28 第四章 Maxwell輔助設(shè)計及分析 30 4.1 Maxwell軟件簡介 30 4.2 樣機初始規(guī)格 31 4.3 電機優(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 電機的驅(qū)動電路模型 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 兩臺樣機的比較分析 45 5.5.1 兩臺樣機設(shè)計參數(shù)比較 45 5.5.2 兩臺樣機計算結(jié)果比較 46 第六章 無刷直流電機在空調(diào)壓縮機中的應(yīng)用 47 6.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計 47 6.2閉環(huán)調(diào)速方案設(shè)計 48 6.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速方案 48 6.2.2 速度測量方案 49 6.3系統(tǒng)核心控制器選擇 50 6.3.1 PIC系列單片機簡介 50 6.3.2 PIC系列單片機優(yōu)勢 51 6.4無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測方案的選擇 52 6.4.1“反電勢法”BLDCM控制原理 54 6.4.

14、2“反電勢法”BLDCM起動方法研究 56 6.5系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 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)開關(guān)主電路設(shè)計 58 6.5.4 電源電路設(shè)計 59 6.5.5 轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè)計 60 6.5.6 驅(qū)動設(shè)計 61 6.5.7 電流檢測電路設(shè)計 62 6.5.8 保護電路設(shè)計 63 6.6 電機控制板 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 67 附錄A 6極36槽電機設(shè)計清單 71 附錄B 8極9槽電機設(shè)計清單 73 附錄C 無

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，磁性材料與電力電子技術(shù)的突飛猛進，使得永磁電機不僅可以獲得高功率密度，也減少了電機的體積和重量，并且因沒有同感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子電流損耗而使效率進一步提高。由于永磁電機具有高效率和高功率因數(shù)，有待取代傳統(tǒng)感應(yīng)電機，成為各種科技產(chǎn)品的驅(qū)動動力源，例如：空調(diào)、航空、工具機、機器人、OA機器及精密紡織等。 由于客戶對于品質(zhì)的要求日益提高，針對電機所產(chǎn)生的振動及噪音問題也更為關(guān)注，

16、振動和噪音對于電機整體的性能影響很大，如效率和轉(zhuǎn)速方面。電機的振動也好似產(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。然而造成電機振動噪音的來源非常多，如加工制造商的不精確而造成的軸彎曲、質(zhì)量不平衡、軸偏心以及電機本身結(jié)構(gòu)上的諧波磁場、鐵心飽和及長期運轉(zhuǎn)造成軸承的磨損等等。 本論文將針對表面型永磁無刷直流電機來進行各項特性分析比較。 1.2空調(diào)用無刷直流電機的研究現(xiàn)狀 永磁無刷直流電機和永磁直流電機相比，最大的特點就是沒有換向器和電刷組成的機械接觸結(jié)構(gòu)。加之，其轉(zhuǎn)子采用永磁體勵磁，沒有激磁損耗；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，永磁無刷直流電機在保持

17、了普通直流電機良好的調(diào)速和啟動性能的同時，還具有無換向火花及無線電干擾，壽命長，運行可靠，維護簡便等優(yōu)點。一般認為，永磁無刷直流電機既具有永磁有刷直流電機優(yōu)良的機械特性和控制特性，又克服了有刷電機的缺點，具有更強的競爭力。 1.3無刷直流電動機有待研究的問題 (1) 轉(zhuǎn)矩脈動：目前，永磁無刷直流電動機存在的最重要的問題就是存在轉(zhuǎn)矩脈動。由于轉(zhuǎn)矩存在脈動，使得無刷直流電動機在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制，尤其是在直接驅(qū)動應(yīng)用的場合，轉(zhuǎn)矩脈動使得電機速度控制特性惡化。尤其是用于視聽設(shè)備、空調(diào)中的無刷直流電動機，更要求運行平穩(wěn)、沒有噪音。因而抑制或消除轉(zhuǎn)矩脈動成為提高無刷直流電機系統(tǒng)性能的關(guān)鍵

18、。轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的原因主要有：齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動，諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動，由換相電流引起的轉(zhuǎn)矩脈動。目前，各高校以及科研機構(gòu)提出了各種抑制或削弱轉(zhuǎn)矩脈動的方法，這些研究無法根本上消除轉(zhuǎn)矩脈動。因而，有待于進一步的研究。 (2) 無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測方法：無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)中，最常見和應(yīng)用最廣泛的是反電動勢法。但該方法是在忽略電樞反應(yīng)的基礎(chǔ)上的進行的，在原理上存在誤差，對于大功率無刷電動機，電樞反應(yīng)對氣隙磁密的影響更明顯，誤差也就更大。另一方面，電機在啟動和低速時，反電動勢為零或很小，很難通過反電動勢來檢測轉(zhuǎn)子位置，無位置傳感器的無刷電動機存在啟動問題。因此，如何克服反電動勢法中

19、電動機的啟動問題，是急需解決的。對于啟動問題，一般采用三段式啟動方法再切換到無位置傳感器的正常運行。 (3) 最佳換向：最佳換向是為了使無刷直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩最大，脈動最小，實現(xiàn)效率最高的基點能量轉(zhuǎn)換。最佳換相，包括最佳換向邏輯和最佳換相位置兩個方面的含義，前者解決如何換向，后者解決什么時候換向。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)子位置信號和功率開關(guān)管的真值表，而缺乏系統(tǒng)的概括性更強的理論研究。盡管在理想狀態(tài)下的最佳換向邏輯的研究比較透徹，但是在電機設(shè)計工作過程中最佳換向位置的研究還不夠，實際運行的電機不同于理想電機，在理想電機中所忽略掉的次要因素實際上都會不同程度地影響最

20、佳換向位置。因此，這就要求研究投入更多的精力。 1.4無刷直流電動機的主要用途 無刷直流電動機是隨著電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型機電一體化電動機。它是電子技術(shù)和電動機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，由電動機和電子驅(qū)動器兩部分組成。具有與普通直流電動機相似的線性機械特性和線性轉(zhuǎn)矩、電流特性。關(guān)鍵特征:需要多相逆變器驅(qū)動；由于沒有電刷和換向器，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)成本比直流電動機高；可實施無傳感器控制。 由于永磁無刷直流電動機得到越來越廣泛的應(yīng)用:在計算機外設(shè)和辦公室自動化設(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、空調(diào)裝置的應(yīng)用。在汽車、電動

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、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)的場所，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用無刷直流電動機。其中，軍事和航天領(lǐng)域是無刷直流電動機最先得到應(yīng)用的領(lǐng)域。 1.5課題研究的背景和意義 隨著大功率開關(guān)器件、集成電路及高性能磁材料的進步，無刷直流電動機得到了快速發(fā)展，并成為驅(qū)動先進制冷系統(tǒng)的發(fā)展方向。但在目前國內(nèi)的絕大部分變頻空調(diào)中，壓縮機效率與功率因數(shù)較低，噪聲較大，對變頻器容量要求高。將永磁無刷直流電動機應(yīng)用到壓縮機中，則可以克服這些缺點，且不受電源頻率限制，壓縮機的額定轉(zhuǎn)速可以設(shè)計得較高，既可以優(yōu)化壓縮機的

22、運行功率，又可以減小壓縮機的體積。傳統(tǒng)的無刷直流電動機獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法是采用電子式或機電式位置傳感器直接測量，然而傳感器有的分辨率低或運行特性不好，有的對環(huán)境條件很敏感，如振動潮濕和溫度變化都會使性能下降，使得整個系統(tǒng)的可靠性難以得到保證。由于壓縮機的電動機往往是密封的，連線眾多的位置傳感器會降低電動機運行的可靠性，加之制冷劑的強腐蝕性，常規(guī)的位置傳感器很難正常工作。因此，采用無位置傳感器無刷直流電動機具有很多的優(yōu)越性。 1.6本文的主要工作及安排 (1) 學(xué)習(xí)無刷直流電機原理，學(xué)習(xí)無刷直流電機設(shè)計，定子部分，轉(zhuǎn)子部分的設(shè)計。使用公式流程設(shè)計兩臺樣機，使用Ansoft軟件進行優(yōu)化，進

23、行結(jié)果分析。 (2) 無位置傳感器控制方法的選擇，文章選用了反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置。 (3) 硬件電路設(shè)計。搭建基于PIC18F4580單片機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (4) 系統(tǒng)調(diào)試。對搭建的基于PIC18F4580單片機的無刷直流電機控制系統(tǒng)進行調(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 永磁無刷直流電機簡介 無刷直流電動機(BLDCM: Brushless Direct Current Motor)是近幾十年隨著電力電子技術(shù)而迅速發(fā)展起來的一種新型電動機，其基本原理就是通過驅(qū)動電路，驅(qū)動逆

24、變電路的功率開關(guān)元件，反映轉(zhuǎn)子位置的信號，使電樞繞組依照一定的順序饋電，從而在氣隙中產(chǎn)生步進式旋轉(zhuǎn)磁場，拖動永磁式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[1_2]。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置信號依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實現(xiàn)無刷直流電動機的機電能量轉(zhuǎn)換[3-4]。 2.1無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu) 無刷直流電動機是一種可控制變頻的永磁同步電動機，與永磁同步電動機相比，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，可以認為是由直流電源、電力電子換相電路、永磁無刷直流電機和磁極位置檢測電路組成的“電動機系統(tǒng)”，其中電子換相電路又由功率逆變電路和控制器組成?？驁D如圖2.1所示：

25、 圖2.1無刷直流電動機結(jié)構(gòu)框圖 Fig. 2.1 BLDCM structure diagram 在無刷直流電動機中，電樞繞組在定子上，永磁體在轉(zhuǎn)子上。與傳統(tǒng)的直流電動機相比，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)上與永磁同步電動機類似[6]。無刷直流電動機定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動機或感應(yīng)電動機相同，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，以便進行合理換相。 在樣機設(shè)計中，用反電勢過零點檢測電路來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的位置傳感器，這樣使得電機的成本明顯減小[7]。過零點檢測電路將檢

26、測到的反電勢過零點信號送入處理器，信號處理后，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無刷直流電機的工作原理 永磁無刷直流電動機的基本組成主要由電動機主體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路三部分組成[8]。一般的直流電機由于電刷的換相，使得由永久磁鋼產(chǎn)生的磁場與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場在電機運行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電動機運轉(zhuǎn)[9]。永磁無刷直流電動機的運行原理和有刷直流電動機基本相同，即在一個具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通過的電流總量恒定，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)電動勢亦為梯形波，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，反電動勢為120梯形波。只要控制好逆變器各橋臂功率器件的開關(guān)時刻就能滿足上述要求。但是需要確定方波電流的通電時刻與感應(yīng)電動勢波形、轉(zhuǎn)子磁極位置有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，否則會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動，使平均轉(zhuǎn)矩減小[11]。 永磁無刷直流電動機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是簡單，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，電動機的繞組為星型聯(lián)接。圖2.2中的主電路是一個典型的電壓型交-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,邏輯控制單元通過判斷位置傳感器信號而產(chǎn)生PWM相序來控制T1、T2……T6六個功率開關(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功率管導(dǎo)通,每隔60電角度換相一次，每次換相一個功率管，每個功率管每次導(dǎo)通120電角度。各功率管導(dǎo)通順序依次為T1-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，得到理想的相電動勢和電流波形。 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無刷直流電動機的數(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) 三相繞組完全對稱，氣隙磁場方波，定子電流、 轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱； (2) 忽略齒槽、換相過程和電樞反應(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，、、為定子相繞組電動勢，為每相繞組的自感，為每兩相繞組間的互感，為微分算子。 對于三相繞組星形連接，且無中線，則有： (2.2) 并且有： (2.3) 將式2.1、2.2和2.3經(jīng)過整理，得到的電壓方程為： (2.4) 根據(jù)電壓方程式2.3可得到電機的等效電路圖，如圖2.4所示： 圖2.3 永磁無刷直流電

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

32、節(jié)電率高達10％，某些專用稀土永磁同步電機，如油田抽油機用電機，節(jié)電率高達15％～20％。 電動機的節(jié)能分兩個方面。一方面是改革異步電動機的結(jié)構(gòu)，提高效率和其他性能。歐美等工業(yè)發(fā)達國家，提高電機效率重點放在異步電動機上，英國三相異步電動機的用電量占電動機總用電量的86％。其次是發(fā)展永磁同步電動機，可以取得更高的節(jié)電效果。根據(jù)我國國情，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，價格也趨向合理。統(tǒng)計資料表明，中小型永磁同步電動機的效率可提高5％，節(jié)電率10％，某些專用永磁同步電機節(jié)電達15％～20％。所以發(fā)展永磁同步電動機是電機工業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢之一。 (2) 向機電一體化方向發(fā)展：要提

33、升傳統(tǒng)機電產(chǎn)品的水平，必須緊緊抓住機電一體化這個環(huán)節(jié)。實現(xiàn)機電一體化的基礎(chǔ)，是發(fā)展各種機電一體化需用的各種高性能稀土永磁電機，如數(shù)控機床用伺服電機，計算機用VCM音圈電機。一臺60把刀加工中心，要配備30臺伺服電機。變頻調(diào)速稀土永磁同步電機和無刷直流電機是機電一體化的基礎(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電機，移動電站，自動化裝備用伺服系統(tǒng)及電機，航空航天用高性能、高可靠性永磁電機，化纖設(shè)備用高調(diào)速精度變頻調(diào)速同步電動機，數(shù)控機床、加工中心、機器人用高調(diào)速比稀土永磁伺服電機，計算機用高精度擺動電機及主軸電機等等。

34、(4) 向?qū)Ｓ秒姍C方向發(fā)展：電機所驅(qū)動的負載千變?nèi)f化，如全部采用通用型電動機，在某些情況下，技術(shù)經(jīng)濟很不合理。因此國外大力發(fā)展專用電機，專用電機約占總產(chǎn)量的80％，通用電機占20％。而我國恰恰相反，專用電機只占20％，通用型電機占80％。專用電機是根據(jù)不同負載特性專門設(shè)計的，如油田用抽油機專用稀土永磁電機，節(jié)電率高達20％，這方面的節(jié)能潛力很大。電機工作者不僅要研究電機本身，更應(yīng)當(dāng)研究所驅(qū)動負載的特性，設(shè)計出性能先進、運行可靠、價格合理的稀土永磁電機產(chǎn)品。 (5) 向輕型化方向發(fā)展：航空航天產(chǎn)品，電動車輛、數(shù)控機床、計算機、醫(yī)療器械、便攜式光機電一體化產(chǎn)品等，都對電機提出體積小、重量輕的嚴(yán)格

35、要求。有些還對產(chǎn)品形狀提出要求，如信息產(chǎn)品提出扁平化，世界上最小的電機已達到φ0.8mm，102mm，用于醫(yī)療檢測。 Error! Reference source not found. 第三章 空調(diào)壓縮機用無刷直流電機設(shè)計 3.1電機設(shè)計的主要約束條件 樣機設(shè)計方案涉及的無刷直流電動機用于驅(qū)動空調(diào)壓縮機，在轉(zhuǎn)子鐵心表面安裝永磁體的結(jié)構(gòu)形式，該電機性能指標(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 軸向長度(mm) ≤160 4 電機側(cè)母線電流(A) ≤15 5 電機所需最大轉(zhuǎn)速(r/min) 4000 6 電機所需最大負載轉(zhuǎn)據(jù)(Nm) 16 可見，電機不僅要求在低轉(zhuǎn)矩的和高轉(zhuǎn)矩之間進行切換，還要求具有一定的調(diào)速范圍，并且還限制了母線電流。對電機而言，要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，這就要求要么調(diào)節(jié)電機繞組匝數(shù)，要么繞組電流，以達到產(chǎn)品的設(shè)計要求。為了減小繞組電流，只能增加繞組匝數(shù)。另一個問題是電機要求有相對較高的轉(zhuǎn)速，在電樞繞組匝數(shù)較多的情況下會使反電動勢變得很大，甚至在理論計算上超出電源電壓，這是不可能的，所以匝數(shù)又要選的足夠小，這就給設(shè)計增加了復(fù)雜性。當(dāng)電機長

37、時運行需求的兩種轉(zhuǎn)矩相差不大時，傳統(tǒng)的無刷直流機的設(shè)計方法及其所設(shè)計的電機即可滿足要求。 3.2電機的設(shè)計方案的確定 (1) 無刷直流電動機設(shè)計方案的選擇：無刷直流電動機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)在以下幾個方面： 1）由于采用了高性能永磁材料，無刷直流電動機的轉(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）由于沒有轉(zhuǎn)子損耗，也無需定子勵磁電流分量，所以無刷直流電動機具有較高的效率和功率密度。 3）由于沒有轉(zhuǎn)子發(fā)熱，無刷直流電動機也無需考慮轉(zhuǎn)子冷卻問題。 4）可靠性高，壽命長，不必經(jīng)常進行維護和修理，無電氣接觸火花。 5

38、）可在高轉(zhuǎn)速下工作，專門設(shè)計的高速無刷直流電動機的工作轉(zhuǎn)速可達每分鐘10萬轉(zhuǎn)以上，機械噪聲低。 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。 永磁同步電動機把交流電動機復(fù)雜的磁場定向控制轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子位置定向控制，而無刷直流電動機則進一步將其簡化為離散六狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置控制，也無需坐標(biāo)變換。與永磁同步電動機相比，無刷直流電動機也具有明顯的優(yōu)勢： 1）無刷直流電動機采用方波電流供電，可以提供更高的轉(zhuǎn)矩體積比。 2）在電動機中產(chǎn)生的梯形波的磁場分布和梯形波的感應(yīng)電動勢要比產(chǎn)生正弦波

39、的簡單，因此無刷直流電動機結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低。 3）對于永磁同步電動機，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單，控制也簡單得多，因此無刷直流電動機控制系統(tǒng)簡單、控制器成本較低。 采用無刷直流電動機方案時，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，此時采用理想的矩形波電流驅(qū)動產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)接近于0，而此時正弦波電流驅(qū)動的電磁轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)較大[31]。 (2) 電樞繞組形式和開關(guān)主電路的接法：無刷直流電動機的電樞繞組形式，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。無刷直流電動機的繞組形式直接關(guān)系到逆變器、控制器的復(fù)雜程度以及系統(tǒng)性能，電機相數(shù)越多，則輸出的功率越大，力能指標(biāo)越高，電機轉(zhuǎn)矩脈動越小，但逆變器需要的功率開關(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，對逆變器，三相橋式換向電路可實現(xiàn)較好的電機性能，但使用的開關(guān)功率較多，價格較高；三相非橋式換向電路的開關(guān)數(shù)量減少一半，較為經(jīng)濟。因此兩種逆變器接法適用于不同的場合，均獲得了廣泛的應(yīng)用。 (3) 無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測方案的選擇：無刷直流電動機的運行是通過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)來實現(xiàn)的。因此準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)時切換功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài)是控制無刷直流電動機正常運行的關(guān)鍵。和永磁電機所需要的連續(xù)位置信號相比，BLDCM僅僅需要幾個關(guān)鍵的換相時刻位置信息。目前國內(nèi)外比較典型的有反電動勢法。 對于穩(wěn)態(tài)運行的電機來說，反電勢法是一種簡單、實用的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。由繞組反電勢波形直接反映轉(zhuǎn)子的位置，因此對于無位置傳感器無刷直流電動機可以利用繞組反電勢來間接獲取轉(zhuǎn)子的位置信息。三相繞組反電勢及相電流波形如圖3.1所示。對于采用兩相導(dǎo)通三相六拍運行方式運行的無刷直流電動機而言，三相繞組中在任意時刻總有一相處于斷開狀態(tài)，檢測斷開相的反電勢信號，當(dāng)其過零點時，

42、轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組重合，再延遲30電角度即為無刷直流電動機的換相點。 圖3.1理想的相電勢和相電流波形 Fig.3.1 Ideal phase-electric potential and phase-current drawing 3.3電機材料的選擇 電機所有的材料包括導(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電機輸出功率、體積與價格具有相當(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)用在電機機械上，以取代傳統(tǒng)繞線式磁場，但永磁體等級與體積的大小是決定電機價格和使用性能的重要因素，如果

43、能認真選擇永磁體等級和大小，則電機的價格可以大大的降低，且性能亦能提高。永磁體是一種具有高能量的物質(zhì)，在電機和其他機械設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛。在電機中，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，強度高，抗腐蝕能力強，具有良好的溫度穩(wěn)定性，最高工作溫度可達600℃以上。這種永磁材料有很高的剩磁，可達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。稀土鈷的主要特點剩磁和矯頑力都很高，剩磁在0.85-1.1T之間，矯頑力可達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1.29T，矯頑力可達987KA/M，這種材料退磁曲線也呈線性，是用來制造永磁電機的理想材料。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在低溫下運行特性很穩(wěn)定。所以本設(shè)計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)計電機時，應(yīng)保證電機在額定工作點時，硅鋼片中磁感應(yīng)強度值在磁化曲線臨界飽和點附近，以達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)使得電機在通入交流電時鐵心損耗很小。在電機正常工作時，由于電場的交變，在鐵心中會產(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，但是考慮到其機械強度，其厚度就不能小于0.3毫米，但在一些技術(shù)先進的國家，已經(jīng)開始采用0.1或0.2毫米的硅鋼片。 在電機運行時，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，減小沖片厚度是非常必要的。 通過集中材料性價比的綜合考慮，定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心采用了D23號鋼。 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)。無刷直流電機的轉(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)，是無刷直流電動機經(jīng)常采用的的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式。 常用的三種結(jié)構(gòu)的勵磁磁場波形如圖3.3所示（不考慮齒槽作用）： 圖3.3 稀土永磁轉(zhuǎn)子激磁磁場波形 Fig. 3.3 Field wave of rare-earth magnetic rotor 從圖3.3可以看出圖a)勵磁結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生方波氣隙磁感應(yīng)強度，所以本設(shè)計的方波無刷直流電動機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)的是空載時永磁體向外磁路提供的總磁通的有效利用程度。當(dāng)大時，表明漏磁導(dǎo)相對較大，也就是在永磁體提供總磁通一定時，漏磁通相對較大而主磁通有所減少，永磁體的利用率就差；另外大，表明對電樞反應(yīng)的分流作用大，電樞反應(yīng)對永磁體兩端的實際作用值就小，永磁體的抗去磁能力就強。因而設(shè)計需要綜合考慮，適當(dāng)選取值。 在實際工程計算中，需要對三維場的直接求解，由于三維靜磁場計算比較復(fù)雜，通常用二維靜磁場來代替三維場，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，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 永磁無刷直流電機空載漏磁系數(shù) Tab.3.3 PM BLDCM idling leakage factor 磁極結(jié)構(gòu) 無極靴瓦片形 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)是描述在一個極距范圍下實際氣隙磁場分布情況的系數(shù)。其大小由磁場的分布曲線決定，因而它決定于勵磁磁勢分布曲線的形狀，空氣氣隙的均勻程度以及磁路的飽和程度。一般情況，氣隙磁通在一個極距范圍內(nèi)的分布曲線如圖3.4所示： 圖3.4 一個極下沿電

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，是一個小于零的數(shù)。從另一個角度來說，可假設(shè)每極氣隙磁通集中在一個極弧長范圍內(nèi)，并認為在這個范圍內(nèi)氣隙磁場分布均勻，那么極弧系數(shù)就為極弧計算長度與極距之比：，如圖3.4所示。在正弦

54、分布的氣隙磁場中，極弧系數(shù)約為=0.637，但是在直流電機中，氣隙磁場一般為平頂波，所以極弧系數(shù)相對較大，一般取0.7以上。 3.4.3 氣隙系數(shù) 氣隙系數(shù)是一個描述電機因開槽而影響了氣隙的有效長度的系數(shù)。假設(shè)轉(zhuǎn)子表面光滑，定子鐵心表面開槽，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槽時的值增大到一個更大的值，所以開槽后，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、個大于零的數(shù)，是計算氣隙長度與實際氣隙長度的比值，也是實際的氣隙最大磁通密度與計算時采用的最大磁通密度的比值。表明電機因為開槽使得等效的氣隙長度有所加長，有槽時的氣隙長度是無槽時氣隙長度的倍。在永磁電機中，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)于加大了氣隙長度，依上面的分析方法，可用下式計算永磁電機的氣隙系數(shù)，其中，定義為槽寬縮減因子。 = (3.8) (3.9) 3.5 無刷直流電機主要尺寸的選擇 在永磁電機設(shè)計中，首先根據(jù)主要的技術(shù)指標(biāo)和性能指標(biāo)對電機的主要尺寸進行

56、確定，然后根據(jù)電機的運行環(huán)境及其他要求來選定定子、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軟件對電機其他參數(shù)進行優(yōu)化計算和電機性能分析。 3.5.1 電樞直徑和電樞鐵芯長度 在無刷直流電機的設(shè)計中，主要尺寸指電樞直徑和電樞鐵芯長度，除了可根據(jù)用戶實際使用中安裝尺寸要求或參考類似規(guī)格電機的尺寸確定外，它可根據(jù)給定的額定數(shù)據(jù)來選擇。它確定了電動機的外形輪廓、重量以及材料費用。轉(zhuǎn)子激磁和定子的電樞結(jié)構(gòu)決定了它們的大小，對于發(fā)揮不同種類稀土永磁材料的性能、保障電機的性能指標(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，電機的主要尺寸基本取決于電磁負

57、荷的選取，其關(guān)系為： (3.10) 其中，為電樞直徑(m)，為電樞鐵心長度(m)，為額定轉(zhuǎn)速(r/min)，A為電負荷(A/m)，為磁負荷(T)，為永磁體極弧系數(shù)，為電機計算功率(W)。 電機長徑比的選擇對電機的性能、重量、成本有很大影響。在用次直流電機設(shè)計中，一般取。將代入公式3.10可得到電樞直徑的計算公式： (3.11) 從上式可以看出: (1) 在電磁負荷一定時，電動機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，若直徑不變而采用不同長度，則可得到不同功率的電機。

58、 (3) 在技術(shù)指標(biāo)給定的情況下即電動機電磁功率和轉(zhuǎn)速不變時，電動機的主要尺寸很大程度上取決于所選的電磁負荷。電磁負荷選的越大，電動機的尺寸就越小，材料越節(jié)省。但是隨著電磁負荷的增加，電機的銅耗、鐵耗會相應(yīng)增加，效率下降，影響電動機的使用壽命。實際設(shè)計過程中，應(yīng)綜合考慮電機的功耗和體積，合理選擇電機的電磁負荷。 (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的梯形反電動勢波形，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 電磁負荷的選擇 直流電動機的主要尺寸與所選擇的電負荷和磁負荷有密切關(guān)系，電勵磁直流電動機可根據(jù)設(shè)計要求和經(jīng)濟性，找到

59、最佳的電磁負荷值。 電機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，氣隙磁密一般可達到0.6～0.85T。 A應(yīng)根據(jù)電機的具體工作方式及冷卻條件選擇。對于連續(xù)運行的永磁直流電動機，若為小功率電機，電負荷一般為30～100A/cm；若為小型電機，電負荷為100～300A/cm。因為本設(shè)計涉及空調(diào)壓縮機用無刷直流電機，功率5千瓦左右時的電磁負荷為基準(zhǔn)，再綜合考慮四季變化時的情況確定電機主要尺寸。預(yù)取電負荷為120A/cm，磁負荷為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、無刷直流電動機的繞組由功率電子元件的開關(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)太多會使換相變得更加復(fù)雜，但也有好處，在電機運行過程中即使有一相出現(xiàn)故障，但電機還是可以運行，不會因為缺一相而停轉(zhuǎn)，增加了電機運行的可靠性?？傮w來說，相數(shù)的選擇主要需考慮的因素有： 1）繞組的利用程度：稀土永磁無刷直流電動機運行時是依次各相通電產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的，在同一時刻，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）電子開關(guān)電路的復(fù)雜程度：相數(shù)增加后，則電子線路上的開關(guān)元件數(shù)會相應(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：相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動越小。由此可見，可以利用犧牲電機的體積和成本來達到轉(zhuǎn)矩脈動的削弱。相數(shù)的多少要滿足電機轉(zhuǎn)矩的要求，一般相數(shù)多，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就大。本設(shè)計選用常用的三相電機。 (2) 極數(shù)的選擇：極數(shù)的選取主要參考電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子低速運轉(zhuǎn)的直流無刷電機多數(shù)選取極數(shù)較多，高速運行的情況下，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)與電機效率也有關(guān)：隨著極對數(shù)增加，鐵心磁場交變頻率增高，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，銅耗略有降低，但電機總的損耗增加，效率也就下降了。 無刷直流電動機的磁極對數(shù)與電機轉(zhuǎn)速之間不像永磁同步電動機有著如式3.12的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系, 其中，為同步電動機供電頻率。 (3.12) 但無刷直流電機轉(zhuǎn)速與極對數(shù)（通過反電勢）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) 在電機主要尺寸確定，選擇極對數(shù)時，應(yīng)綜合考慮運行性能和經(jīng)濟指標(biāo)，參照直流電機極對數(shù)選擇方法作幾個方案比較，而不是一個唯一定數(shù)。若氣隙磁

63、密及電樞直徑不變，實際不變。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)子低速運轉(zhuǎn)無刷電機多數(shù)選取極數(shù)較多。隨著極對數(shù)增加，鐵心磁場交變頻率增高，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，銅耗略有降低，電動機的效率還是隨著極對數(shù)的增加而降低。極對數(shù)增多，電樞每相電感減少，對換相有利。 (3) 槽數(shù)的選擇：當(dāng)電機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。一般來說，槽數(shù)應(yīng)為相數(shù)和極數(shù)的整數(shù)倍，對于大功率或特殊用途的電機，為了提高電機性能，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、足繞組對稱條件就能保證各相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對稱。 在無刷直流電動機中，如采用整數(shù)槽，往往會產(chǎn)生定子的齒同轉(zhuǎn)子磁極相吸而產(chǎn)生類似于步進電動機的定位力矩現(xiàn)象，這對電動機的運行性能產(chǎn)生了不良的影響,例如6極36槽電機能夠產(chǎn)生很大的齒槽力矩。采用分?jǐn)?shù)槽繞組的優(yōu)點之一就是能把定子齒和轉(zhuǎn)子磁極相互錯開，從而改善了電動機的運行性能，例如8極9槽電機。分?jǐn)?shù)槽繞組的無刷直流電動機，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)，只要滿足繞組對稱條件就能保證各相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對稱。 與整數(shù)槽相比，無刷直流電動機采用分?jǐn)?shù)槽技術(shù)還有有如下優(yōu)點[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 ，即每個齒上繞制一個集中線圈，從而可采用自動繞線機繞制，可提高勞動生產(chǎn)率，降低電動機的制造成本。 3) 能顯著地縮短電樞線圈的端部長度，節(jié)省銅材；可以減小電樞的漏抗，增加電動機的出力，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)。 常見的分?jǐn)?shù)槽繞組每極每相槽數(shù)為一個假分?jǐn)?shù)，式3.14中，為整數(shù)，為一不可約的真分?jǐn)?shù)，該種繞組的對稱條件及排列方法中已介紹。經(jīng)分析為真分?jǐn)?shù)時也能滿足繞組對稱條件。為真分?jǐn)?shù)時，可表示為式3.15：

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