直流无刷电机本体设计要点

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2直流无刷电机本体设计1.设计任务(1)额定功率80NPW(2)额定电压310NUV(3)电动机运行时额定转速1000/minNnr(4)发电机运行时空载转速max6000/minnr(5)最大允许过载倍数2.5(6)耐冲击能力21500/mams(7)机壳外径42Dmm设计内容：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。2.理论与计算过程2.1直流无刷电机的基本组成环节直流无刷电动机的结构原理如图2-1-1所示。它主要由电机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,……）组成。图中的电机本体为三相电机。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。因此，所谓直流无刷电机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2-1-2所示。哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告3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。直流电源电动机位置传感器开关电路哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告4图2-1-3直流无刷电机基本结构图直流无刷电机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷电机定子上各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元，综上所述，组成直流无刷电机各主要部件的框图，如图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，一般的永磁式直流电机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。下面以图2-1-1所示电路对直流无刷电机工作过程作简要说明。设三相桥式逆变器采用“120°导通型”通断规律。即：每隔1/6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120°电角度。各功率管的导通顺序是V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1、…。当功率管V1和V2导通时，电流从V1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经V2管回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图2-2-1（a）所示，其大小为3Ta，方向在Ta和－Tc的角平分线上。当电机转过60°后，由V1V2通电换成V2V3通电。这哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告5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3Ta。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3Ta不变。图2-2-1（c）示出了全部合成转矩的方向。图2-2-1定子绕组在空间合成转矩矢量图（a）V1、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3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所示。哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告6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、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。哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告7图2-4-1定子内径Da与单位转速输出功率PN/nN的关系根据已知条件计算得41800.810[kW(r/min)]n1000NNP(1)从图2-4-1的曲线对比，取Da=3.4cm=34mm。(2)电磁负荷的选择42NDaaδ6.110PkDLBAn(2)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哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告8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=0.6T。图2-4-2电负荷A与定子内径Da的关系哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告9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4NDa2δa6.110PkLBADn(3)图2-4-4计算极弧系数δ与转子外径Da的关系哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告10由Da=3.4cm，根据图2-4-4，参考以往经验值，预取δ=0.9。预取系数0.8Dk，效率0.7，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从式（2）可以看出，在同样给定条件和选定的A、B和δ数值下，2aaDL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内径的比值来表示：aaLD(4)由Da=3.4cm，La=6.8cm，代入式（4）计算得aa2LD。(5)定子铁心外径的选择表1直流电机的标准定子外径(mm)78.310.210.61213.816.219.521.024.529.432.736.842.349.356.065.085.099.0120150180215285315350380由定子铁心内径Da=3.4cm=34mm，技术要求机壳外径42Dmm，根据表1可以选择定子铁心外径D1=36.8mm=3.68cm。2.5磁路计算(1)极数的选择我们已知δaa2πpBLD，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，定子轭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，考虑到极漏磁不能太大，极弧系数δ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，而定子轭的铁损耗则增加很少，因为铁轭的重量反哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告11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。一般说，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12~50mm。若取极对数p=2，则aπ3.143325.9mm222Dp(5)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。归纳起来，选择的原则为：①应能保证电机气隙中有足够大的气