目   录

摘  要 ……………………………………………………………………………… Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 绪论 1
1.1 无刷直流电动机的发展及应用概况 1
1.2 无刷直流电动机的开发前景和特点 …………………………………………… 1
第2章　无刷直流电动机的基本组成环节 4
2.1无刷直流电动机的基本组成结构 4
2.1.1电动机的本体 5
2.1.2位置传感器 6http://www.16sheji8.cn/
2.1.3电子换向线路 6
第3章　无刷直流电动机的工作原理与驱动设计 7
3.1设计方案简述 7
3.2设计步骤 8
3.3无刷直流电动机的工作原理 8
3.4驱动线路的设计 10
3.5换流线路的基本设计 13
3.6无刷直流电动机的控制 15
3.7无刷直流电动机的运行特性分析 16
第4章 无刷直流电动机的电磁设计 20
4.1定子铁心内径Da的选择 20
4.2电磁负荷的选择 20
4.3转子磁钢计算长度La的确定……………………………………………………22
4.4转子长度与直径的比值 的选择 ………………………………………………22
4.5绕组的连接方式…………………………………………………………………22
4.6相数、槽数、及绕组方式的选择 23
4.7磁路系统的设计 25
4.8磁钢的最佳工作点和稳定方法 …………………………………………………26
4.9电枢反应分析及其改善方法 28
总  结 30
参考文献 32
致  谢 33
附录 A电磁设计程序
附录 B 总装图
附录 C定子冲片图
附录 D转子外形图
 
无刷直流电动机及其驱动系统的设计
 
   摘  要：无刷直流电动机是一种采用电子换向电路工作的一种新型直流电动机，属于机电一体化产品。该电机具有可靠性高、寿命长等优点。目前，它广泛应用与工业，农业，以及军事等领域。
    无刷直流电动机是一种具有高效率、低磨损、低噪声的新型直流电机机,无刷直流电动机既保持了直流电动机良好的调速控制特性，又消除了电刷和换向器的机械接触。文中着重论述无刷直流电动机及其工作原理、驱动系统、磁路的设计。并对其设计特点进行了分析。http://www.16sheji8.cn/
关键词：无刷直流电动机；驱动系统设计；电磁设计；应用前景

The design of brushless DC Motor and driving – system

   Abstract:: Brushess dc motor is a new type DC motor which operates with electronic-commutated tachocircuit and is a new mechatronics product. The product has a wide range of advantages such as high reliability, long lifetime etc. recently, and it widely used in industry、agriculture and in the army.
The DC motor without coal brush is in a new style, with higher work efficiency. Less wear and lower noise. The better governing speed characteristic is kept and the mechanical touch between brushes and commutator is removed as well in brushless DC Motors. .the thesis mainly discusses basic principle .dive-system and It’s design of magnetic circuit, and analyzes It’s design checracterisitecs.
Key: Brushless DC motor ; driving –system; the design of magnetic circuit.；application foreground
 
 第1章   绪   论

1.1 无刷直流电机的发展及其应用概况

    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下来的一种新型直流电动机。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。
    一个多世纪以来，电动机作为机是能量转换装置，其应用范围已遍及生产中的各个领域以及人们的日常生活之中。电动机主要类型有同步电动机、步电动机与直流电动机三种。在此所要讨论的是直流无刷电动机。众所周知，直流电动机具有运行效率高和调整性能好等诸多优点，随着用途的扩大，对直流电动机的要求也就越来越高。显然，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电动机的应用场合。因传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致使弱点，再加上制造成本高及维修难等缺点而限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多均采用三相步电动机。
    无刷直流电动机它既保持了普通直流是动机良好的调整和起动性能，又具有寿命长、可靠性高，加之，它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样，热阻较小，散热容易。因此无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，维修方便，此外，它的转速不受机械换向的限制，如采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转的速度中运行。由于无刷直流电动机具有上述一系列优点，因此，它的用途远比有刷直流电动机广泛，尤其适用于高级电子设备和一些技术、化工、采矿等特殊部门。1831年法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。十九世纪四十年代研制成功了第一台直流电动机。但随着用途的扩大，对直流电动机的要求也就越来越高。显然，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电动机在恰　的应用。为了取代有刷直流电动机械接触装置，在早期，人们曾提出过用离子装置的定子绕组按转子位置换接的所谓整流子电机。但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重而又复杂，故无实用意义。
    随着社会生产力的发展，人们生活水平的提高，需要不断地开发各种新型电动机。科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现，使得电机产品不断的推陈出新。针对上述直流电机所存在的弊病，早在本世纪30年代，就曾开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的直流无刷电动机。但因当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换相器件，使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段而无法推广使用。http://www.16sheji8.cn/
    随后，科学技术的发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功，经过反复的试验和不断的实践，终于找到了用位置传感器和电子换向线路来代替有刷直流电动机的机械换向装置，从而为无刷直流电动机的发展开辟了新的途径。六十年代，以接近某物而动作的近开关式位置传感器、电磁式谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世。之后，又出了磁电耦合式和光电式位置传感器。
    经过反复试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来代替有刷直流电动机的机械换向装置，从而为直流电动机的发展开辟了新的途径。六十年代初期，以接近某物而动作的接近开关工位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世。之后，又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。
    过多年的努力，终于在1962年借助于霍尔元件来实现换流的无刷直流电动机。随着比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管的出现，在七十年代初期，又试制成功了借助磁敏二极管实现换流的无刷直流电动机。
    在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电动机。1968，首次提出了采用电容移相来实现换流的新方法。在此基础上，后来人们又试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换流的无附加位置传感器的无刷直流电动机。
　 由于无刷直流电动机具有上述一系列优点。因此，它的用途远比有刷直流电动机广泛，尤其适用于高级电子设备和一些高技术、化工、采矿等特殊部门。
    从环境保护，节约能源角度出发，无刷直流电动机具有广阔的发展前景。比如在电动自行车上、电动车上的运用。并且掀起了研制和开发的无刷直流电动机在交通方面的运用热潮，究其原因，无刷直流电动机在这方面的运用具有特别重要的意义，比如：没有一般汽车废气排放，可降低车辆噪声污染，多种清洁能源能用于发电，有益于环境保护；能源效率高，有利于节约能源，主要是防止石油的进一步日益枯竭和能源短缺等。随着人们生活节奏的加快，活动范围的不断扩大，人们希望获得一种轻便快捷、简单安全的交通工具。无刷直流电动机在电动轿车、电动摩托车和电动助力自行车上的运用就是一个最典型的例子。
     于是人们选择了燃油助动车，但由于燃油助动车采用小容量二冲程汽油发动机为动力，其废气排放浓度是一般轿车的3－5倍，其污染问题引起了社会各界和主管部门的高度重视。在上海、苏州等大中城市，于1996年便开始禁止燃油助动车上牌照。而电动自行车因为轻便、快捷，适应了现代人追求环保、效率、安全的需要，所以受到了广大消费者的普遍欢迎，得以再度兴起。比如新颖的无轮轮式电机在自行车上的运用，该项电机的应用不妨碍原有的人工脚踏车操作行驶车轮的系统，而只是在脚踏轮辐中装上1台扁平型无刷电机。当人们需要它帮助行驶时，只要将轮式电机接通电源就能够帮助脚踏车电动行驶。且该电机的存在，并不妨碍原来脚踏车人工脚踏操作行驶的那一套系统。因此这种轮式电机将会受到自行车王国的中国市场广泛的欢迎。  1998年我国电动自行车的年产量约 6万辆  1999年产量翻番达到 13万辆，主要生产集中在华北地区。进入2000年以来，不少地区的销售情况也十分喜人，市场前景广阔。其次在汽车空调上无刷直流电动机也得了青眯，克服了原先在汽车空调上使用的直流电动机因电刷使用寿命短，噪声大，经常需要维护和修理这些难题。对我国，电动汽车的研制开发这项工作又有着特殊重要的意义：一方面我国人口众多、资源有限，生态环境问题非常尖锐，电动车“与可持续发展战略”密切相关；从而进一步推动了汽车空调的使用和发展当今汽车不再是单纯追求最高速度、加速性能的产物，必须以环境、能源为中心，汽车正面临一个巨大的时代，而无刷直流电动机的运用正是这场“绿色革命”的主角。http://www.16sheji8.cn/

1.2 无刷直流电动机的开发前景和特点

   研究和分析微电机的应用和发展，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和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。
   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。
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。
    
 第2章  无刷直流电动机的基本组成环节

2.1 无刷直流电动机的基本组成结构

    流无刷电动机的结构如图2.1。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动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。转子由永久磁钢按一定极对数组成。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。由于是子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而也就起到了机械换向器的作用。http://www.16sheji8.cn/
 
   2.1 无刷直流电动机的工作原理图
    电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于直流无刷电动机中永久磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的磁钢装在定子上。
    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的逻辑关系分配给直流无刷电动机定上各相绕组，以便使电动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。http://www.16sheji8.cn/