无刷直流电动机的设计

成人高等教育毕业设计（论文） 题目：无刷直流电动机的设计

学生姓名：程 旺 函授站点：长 治 学 号：043152000 专业名称：交通工程 学习层次：本 科 学习形式：函 授 指导教师：× × × 审核签字： × ×

二○一一年五月

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。

本文是对无刷直流电动机做出深入的剖析与设计。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种.本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.而且针对小功率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120w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】 设计 无刷直流电动机 霍尔位置传感器

ABSTRACT

Brushless DC motor is rapidly development new motor in the recently, and it widely used in industry、agriculture and in the army. The better governing speed characteristic is kept and the mechanical touch between brushes and commutator is removed as well in brushless DC Motors. This paper intends to make a better on the Design of Brushless DC motor .The DC motor without coal brushless is in a new style, with higher work rate. Less wear and lower noise. This paper presents the method of selecting phase, slot number and winding connection type and introduces the laws that should be obey in the design of brushless DC motor. Also based on introducing the structure of a light power DC motor, a 120w light power DC motor is design according to the theory. Not only make a lot of analyzed about the Hall position sensor in this paper .but also the brushless DC’s controls and the driving-methods for brushless DC. 【Key words】 design brushless DC motor Hall position sensor

目 录

引言················································································································ 第一章 绪论·································································································1

第二章 无刷直流电动机的结构和原理······································

2.1 无刷直流电动机的结构························································6 2.2 无刷直流电动机的确原理································································7

第三章 无刷直流电动机的换流··················· 第四章 无刷直流电动机的电子线路··················· 第五章 磁路计算···················

参考文献························································· 致 谢·····························································

引 言

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，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、数字技术和各种物理原理为后盾，因此它具有很强的生命力。

随着国民经济的发展、科学技术的进步和人民生活永平的提高。对电机的性能提出了许多新的更高的要求。而无刷直流电动机的问世和不断完善，以及电力电子技术的发展，为满足这些要求提供了可能。

无刷直流电动机是最近发展起来的结合了多学科技术的一种新型电机，其最大特点就是没有换向器（整流子）和电刷组成的机械接触机构。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。结合机电一体化，具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性、无换向火花等优点，同时还具有低噪声和长寿命等特点。

目前无刷电动机已广泛应用于各种领域，如宇宙航行、航海、医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业和轻工机械等。

众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢和固定的磁场。因此，有刷直流电动机必须有一个滑动的接触机构——电刷和换向器，通过它们把电枢流馈给旋转着的电枢。无刷直流电动机却与前者相反，它具有旋转的磁场和固定的电流。这样，电子换向线路中的功率开关元件，如晶体管或可控硅等可直接与电枢绕组连接。

另外，在电动机内，装有一个位置传感器，用来检测主转子在运行过程中的位置。它与电子接向线路一起，代替了有刷直流电动机的机械换向装置。

综上所述，无刷直流电动机由下列三大部分组成： （1）电动机本体——带有电枢绕组的定子和永磁转子； （2）位置传感器； （3）电子换向线路。

与此同时，随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展。数值计算、优化设计和仿真技术等现代设计方法的不断完善，经过电机学术界和工程界的共同努力，在无刷直流电动机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面都取得了突破性进展，形成了一整套分

析研究方法和计算机辅助分析、设计软件。

本次毕业设计由电气与信息工程系邓秋玲老师指导。设计过程中邓秋玲老师对本课题组给予了热心的指导和热情的帮助，在此对邓秋玲老师谨致诚挚的谢意。

由于本人水平有限，说明书中难免会出现疏忽甚至错误，敬请老师谅解，恳请给予批评指正，谢谢！

山东交通学院本科论文 绪 论

1 绪 论

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.它是现代工业设备、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、数技术和各种物理原理为后盾,因此它具有很强的生命力.

无刷直流电动机的最大特点,就是没有换向器(整流子)和电刷组成的机械接触机构.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,没有无线电感扰,寿命长,运行可靠,维护简便.此外,它的转速不受机械换向的,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空间技术、化工、采矿等特殊部门。

无刷直流点动机,按照它们的工作特性,基本上可以分为两大类: (1)具有直流电动机特性的无刷直流电动机

这类电动机由直流点源供电,借助位置传感器来检测主转子的位置,所检测出的信号去触发相应的电子换向线路以实现无刷接触式换流.很显然,这种无刷直流电动机具有有刷直流电动机的各种运行特性.

(2)具有交流电动机特性的无刷直流电动机.

这类电动机也有直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的异步电动机或同步电动机。因此，它们具有异步电动机或同步电动机的各种运行特性。

严格地说，只有具有直流电动机特性才能称为“无刷直流电动机”。所以，本课题只设计具有直流电动机特性的无刷直流电动机.

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山东交通学院本科论文 无刷直流电动机的结构和原理

2 无刷直流电动机的结构和原理

2.1、无刷直流电动机的结构

众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢和固定的磁场。因此，有刷直流电动机必须有一个滑动的接触机构——电刷和换向器，通过它们把电流馈给旋转着的电枢。无刷直流电动机却与前者相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路中的功率开关元件，如晶体管或可控硅等可直接与电枢绕组连接。

另外，在电动机内，装有一个位置传感器，用来检测主转子在运行过程中的位置。它与电子换向线路一起，代替了有刷直流电动机的机械换向装置。

综上所述，无刷直流电动机由下列三大部分组成： （1）电动机本体——带有电枢绕组的定子和永磁转子； （2）位置传感器； （3）电子换向线路。 1．电动机本体

电动机本体的主要部件有主转子和主定子。 （1）主定子

主定子是电动机本体的静止部分。它有导磁的定子铁心、导电的电枢绕组及固定铁心和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽契、引出线及环氧树脂等。

A.主定子铁心

它由硅钢片迭成，取用硅钢片的目的是为了减少主定子的铁损耗。硅钢片冲成带有齿槽的环形冲片，在槽内嵌放电枢绕组。槽数视绕组的相数和极对数而定。为减少铁心的涡流损耗，冲片表面涂绝缘层或磷化处理。为了减少噪音和寄生转距，定子铁心采用斜槽。在叠装好后的铁芯槽内放置槽绝缘和电枢线圈，然后整形、浸漆。最后，把主定子铁芯压入机壳。有时为了增加绝缘和机械强度，还宜采用环氧树脂进行灌封。

B.主定子绕组

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主定子绕组是电动机本体的一个最重要部件。当电动机接上电源后，电流流人绕组，产生磁势，后者与转子产生的激磁磁场相互作用而产生电磁转距。当电动机带着负载转起来以后，便在绕组中产生反电势，吸收了一定的电功率并通过转子输出一定的机械功率，从而实现了将电能转换成机械能的过程。显然，绕组在实现能量的转换过程中起着极重要的作用。因此，对绕组的要求为：一方面它能通过一定的电流，产生足够的磁势以得到足够的转矩；另一方面要求结构简单，运行可靠，并应尽可能节省有色金属和绝缘材料。

绕组一般分为集中绕组和分布绕组两种。前者工艺简单，制造方便，但因绕组集中在一起，空间利用率差，发热集中，对散热不利。后者工艺较复杂，但能克服前者的一些不足。绕组由许多线圈联接而成。每个线圈是由漆包线在绕线模上绕制而成。线圈的直线部分放在铁芯槽内，其端接部分有两个出线头，把各个线圈的出线头按一定规律联接起来，即得到主定子绕组。

(2)主转子主转子是电动机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件。 它由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。

永磁体和导磁体是产生磁场的核心，系有永磁体材料和导磁材料组成。无刷直流电动机常采用的永磁材料有下列几种：铝镍钴—5、铝镍钴—5结晶取向、铝镍钴—8、铝镍钴—8结晶取向、铁氧体及高磁能级的稀土永磁材料等。导磁材料一般用10号钢或工业用电工纯铁等。

机械支撑零部件主要是指转轴、轴套和压圈等。它们起固定永磁体和导磁体的作用。转轴由不导磁材料，如圆钢1Cr18Ni9Ti或玻璃棒等车磨而成，要求它具有一定的机械强度和刚度。轴套和压圈通常由黄钢或铝等不导磁材料做成。

2．位置传感器

检测主转子位置的位置传感器是实现无接触换向的一个极其重要的部件。因此，它是无刷直流电动机的一个关键部分。位置传感器可分为接触式和无接触式两种。本设计用无接触式位置传感器。

（1）位置传感器的结构

位置传感器和电动机本体一样，也由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。位置传感器的种类很多，本设计用磁电式位置传感器。

A. 磁电式位置传感器定子

B. 磁电势位置传感器定子由磁芯、激磁线圈、输出线圈和罩壳等组成。

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位置传感器定子铁芯 B.磁电式位置传感器转子

转子位置传感器在无刷直流电动机中，主要起两个作用。一是通过它检测转

子所处的位置，以便确定电子换向及驱动线路的导通顺序；二是确定电子换向电路及驱动线路中功率晶体管的导通角，从而确定电子电枢磁场的磁状态。为了实现这两个目的，必须合理地设计转子位置传感器。

（1）磁芯材料的选择

磁电式位置传感器实质上是一个旋转的变压器。其原边通的是频率为几十到几百千赫的高频电流，通过传感器转子扇形片的“耦合”作用，在副边输出同样频率信号。因此，传感器的定转子磁芯均需要采用高频磁性材料。如常用

MX2000等铁氧体材料。

在无刷力矩电动机中，有时也采用方波输出的振荡器，其频率较低。所以，位置传感器的定转子铁芯材料，可采用粘结铷铁硼。

（2）阻抗匹配

由于传感器的原边与产生高频波的振荡器相连，因此必须注意两者之间的阻抗匹配。否则就会破坏振荡器的起振条件而造成停振，或者需要振荡器输出很大的功率而增加了线路功耗。

（3）转子扇形片张角sh

一般而言，sh与功率晶体管导通角相对应。因此当无刷直流电动机的电枢

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绕组和电子换向线路确定以后，sh也随之确定。对于一相一相依次顺序导通的形式，为了保证电动机能连续运转而不产生死点，必须要有过渡导通状态（即短时间的二相导通状态）。sh应稍大于理论值一般可比理论值大10电角度左右。

0这种位置传感器转子由导磁材料（磁芯）和非导磁材料（衬套）组成。磁芯材料与位置传感器定子的磁芯材料相同。非导磁材料为铜或环氧树脂等。磁芯一般压制成扇形。磁芯与套筒组成一圆环形组件，然后套在电动机本体的转轴上。

2．电子换向线路

电子换向线路和位置传感器相配合，起到与机械换向相类似的作用。所以，电子换向线路也是无刷直流电动机实现无接触换向的一个重要组成部分。

电子换向线路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调，预放大，功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序馈电，保证电动机的可靠运行。

一般说来，对电子换向线路的基本要求是：

线路简单；运行稳定可靠；体积小，重量轻；功耗小；能按照位置传感器的信号进行正确换向，并能控制电动机的正反转；应能满足不同环境条件的要求；长期运行。

2.2、无刷直流电动机的原理

无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，就它们内部发生的电磁过程来说，本质上无多大差别。因此，不妨先介绍一下有刷直流电动机的工作原理。

有刷直流电动机主要由静止部分磁极体、转动部分电枢以及电刷和换向器等组成，N，S为磁极体，线圈abcd组成电枢，电刷A，B和换向片I，IIZ组成机械换向机构。

当接上电源后，电流从电刷A流进去，经过换向片I线圈abcd至换向片II，然后由电刷B流出。根据比奥萨乏定律：如果磁场中有一载流体，且导体与磁场方向相互垂直，则作用在载流导体上的电磁力应为：f=Ib

式中 I——流过导体的电流； B——磁通密度；

La——-载流导体的有效长度。

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这个力形成了作用在线圈上的电磁转矩。根据左手定则，线圈在这个电磁转矩的作用下 ，将按逆时针方向转动。当载流导体转过180度电角度后，电流I还是从电刷A进去，经由换向片II、线圈dcba至换向片I，最后仍从电刷B流出。可见，在有刷直流电动机中，就是借助电刷——换向片，使得在某一磁极下，虽然导体在不断更替，但只要外加电压的极性不变，则导体中流过的电流方向始终不变，作用在电枢上的电磁转矩的方向始终不变，电动机的旋转方向也始终不变，这就是有刷直流电动机机械换向本质。

无刷直流电动机由电子换向线路、转子位置传感器和电动机本体组成。电动机本体是指多相（三相、四相、五相等）的永磁体转子。各相电枢绕组分别与电子换向线路中相应功率开关元件相联接，功率开关元件在电子换向线路控制下，根据转子位置传感器检测出来的转子位置，按照一定规律流通或截至，这样在定子上的电枢绕组中的电流随着转子位置的变化而按一定的次序换流，并在定子内腔产生了跳跃式的旋转磁场，使永磁体转子跟着旋转起来。

在无刷直流电动机中，借助反映主转子位置的位置传感器的输出信号，通过电子换向线路去驱动与电枢绕组连接的相应的功率开关元件，使电枢绕组依次馈电，从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的无接触式换流的实质。

下图为无刷直流电动机的工作原理图的方框图：

直流电源电子换向线路位置传感器电动机本体无刷直流电动机的方框原理图 6

山东交通学院本科论文 无刷直流电动机的换流

应该指出，在无刷直流电动机中，电枢绕组和相应的功率开关元件的数目不可能很多，所以，与有刷直流电动机相比，它产生的电磁转矩波动比较大。

3 无刷直流电动机的换流

在无刷直流电动机中，来自位置传感器的驱动信号，按照一定的逻辑，使某些功率开关元件在某一瞬间导通或截止，电枢绕组内的电流发生跳变，从而改变了主定子的磁状态，我们把电枢绕组内的这种电流变化过程的物理现象称为“换流”。每换流一次，磁状态就改变一次。这样，在工作气隙内会产生一个跳跃式的旋转磁场。为了使无刷直流电动机可靠地运行，就应该正确地进行换流。本设计是三相星形非桥式接法的换流。

三相星行非桥式接法的换流：

图为三相星形非桥式接法的换向线路的原理图。图中左边是磁电式位置传感器

以变压器耦合方式作成的位置传感器的示意图。其中三只线圈串联连接作为原边绕组；另外三只线圈xU、xV、和xW作为副边绕组。副边绕组xU、xV和xW分别与三个电枢绕组U相、V相和W相一一对应。位置传感器的旋转部分由导磁体（图中涂黑部分）和非导磁体组成一圆环并与主转子同轴连接。 三相星形非桥式接法的换相线路6 山东交通学院本科论文 无刷直流电动机的换流

在位置传感器定子的原边绕组通以几百千赫的高频激磁电流的情况下，当位置传感器转子的扇形片（导磁体）使位置传感器定子的副边绕组xU和原边绕组耦合时，副边绕组xU便有信号输出；而其他两个副边绕组xV、xW未同原边绕各相绕组电流与主转子磁场的相互关系组耦合，则无信号输出。利用副边绕组xU的输出信号去触发与电枢绕组U连接的功率开关晶体管BG1，从而使BG1导通，电源给U相绕组馈电。当位置传感器转子的扇形片转过120电角度时，副边绕组xV通过扇形片与原边绕组相耦合，

0副边绕组xV便有信号输出，此信号又去触发与其相应电枢绕组V连接的功率开关晶体管GB2，电源给V相绕组馈电。当位置传感器转子的扇形片再转过120电

0角度时，副边绕组xW通过扇形片与原边绕组相耦合，副边绕组xW输出信号。同样，电源会给W相绕组馈电。这样，随着位置传感器转子的扇形片的转动，电枢绕组便一相一相地依次馈电，从而实现了各相绕组的换流。不难看出，在换流过

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0 无刷直流电动机的换流

程中，会在工作气隙内形成跳跃式的旋转磁场在360电角度范围内有三个磁状态，每个磁状态持续120电角度。所以，我们称这种换流过程为“一相导通星形三相三状态”。这种状态的各相绕组电流与主转子磁场的相互关系见图。图中（a）为第一状态，Fa为绕组通电后所产生的磁势。显然，绕组电流与转子磁场的相

0120互作用，转子便沿着顺时针方向旋转；转过电角度后，便进入第二状态，如

0图（b）所示，主转子又同样继续沿顺时针方向旋转；再转过120电角度，便进入第三状态，如图（c）所示；再沿顺时针方向转过120电角度后就恢复到初始状态了。这样周而复始，主转子便连续不断地旋转起来。

各相绕组的导通示意图，电子换向线路中的功率开关晶体管的电压波形（一相）分别示意图。

00相V相相各相绕组的导通示意图（a）VceVbc功率开关晶体管的电压波形(a)集电极电压波形；(b)基极电压波形 电枢绕组的导通顺序与功率开关晶体管的导通顺序之间的相互关系示于表。

显然，对于这种换流形式的无刷直流电动机来说，为了保证电枢绕组的可

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靠换流，其位置传感器转子的扇形片张角sh由下式决定：

式中 p——极对数；

sh2pm

m——绕组相数。 对三相两极电动机，则

sh23

实际上，张角

sh23时会产生死区，电动机无法起动。所以应使张角sh23，这样在换流时就有两相同时导通，有了这一小的重迭区，便可保证

电动机的可靠起动。

4 无刷直流电动机的电子线路

一台完整的无刷直流电动机是由电动机本体、位置传感器和电子线路组成。电子线路又由振荡电路、解调电路和功放电路组成。

一套良好的无刷直流电动机的电子线路必须满足工作稳定可靠，功耗小、寿命长、成本低等要求，这些就是我们设计无刷直流电动机电子线路的出发点。

电子换向线路和位置传感器相配合，起到与机械换向相类似的作用。所以，电子换向线路也是无数直流电动机实现无接触换向的一个重要组成部分。

电子换向线路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调，预放大，功率放大，然后去触发未级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序馈电，保证电动机的可靠运行。

1.振荡电路

无刷直流电动机采用磁电式位置传感器时，它一定要与振荡电路配合才能完成位置传感器的作用。根据无刷直流电动机的工作特点，要求振荡器频率范围在几十千赫到几百千赫。这时，选用变压器反馈的LC正弦波震荡器比较合适。变压器式的LC正弦波振荡电路是由放大电路，选频网络，反馈网络和负载部分

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组成，如下图。

放大电路选频网络反馈网络负载LC振荡电路

电路要产生振荡必须满足下列两个条件：

（1）由输出端反馈到输入端的电压与放大器在同样输出情况下所需要的输入信号同相，这称为自激振荡的相位条件。

（2）由输出端反馈到输入端的信号要足够大，其幅值大于或等于放大器要求的输入电压的幅值，此称为自激振荡的幅值条件。

如果用数学表达式来表示，首先设输入信号

UiUmsintUi为

那末放大器输出是同频率的正弦量，这个正弦量经过反馈网络后加到输入端的电压

Uf为

'UfUmsinwt'

则自激振荡的条件为

2n1,2,3,{U'U'mm

对于上图所示的LC振荡电路而言，相位条件是利用变压器反馈来达到的。因为在晶体管放大电路中，集电极输出具有倒相作用，即输出信号与输入信号相

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位相差180，而反馈线圈N2和振荡回路里N1中的信号也有180的相位差。这样，

00反馈信号的相位和原输入信号的相位相差0，符合了自激振荡的相位条件。

为了满足自激振荡的幅值条件，必须有

0 式中

rbebeRCM

——基极与发射极之间的交流等效电阻；

M——N2和N1之间的互感； C——振荡回路里的电容；

R——谐振电路中代表全部能量损耗的等效电阻； ——晶体管的放大倍数。

在一般的LC正弦波振荡电路里，晶体管的放大倍数很容易满足。只要电路正确，元件无损坏，电路是容易起振的。

在无刷直流电动机中，振荡器的频率相当于载波频率，电动机的旋转频率（或传感器转子的旋转频率）相当于调制频率。对无刷直流电动机而言，有用的是调制频率，所以对载波频率稳定度的要求是不高的。但是，要求振荡器的谐振频率比电动机的旋转频率高的多，这样才能正确的反映位置传感器转子的角度和位置。对一般转速的无刷直流电动机而言，振荡器的频率选几十千频到几百千频就可以满足位置传感器的要求了。

2.解调电路

解调电路是把位置传感器副边绕组中获得的信号转换成动电压的电路，见下图。

UU、UV、UW驱

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W、WV2、WW2图中，是磁电式传感器的原边绕组，U2是磁电式传感器的副边

绕组。振荡器产生几十千赫到几百千赫的等幅正弦波电压，通过J1、J2输进位置传感器的原边绕组，位置传感器的转子起磁路耦合作用，在某一时间（或角度）内，它把U相的原边绕组耦合起来，副边绕组输出，即

eUEmsin2f0tWU2内就有与振荡器同频率的电压

WWefe其中，0为振荡器谐振频率。没有耦合的副边绕组V2和W2的输出电压v和w均为零。在位置传感器转子不断旋转的情况下，副边绕组输出的电压波形是振荡器输出波形被传感器转子的旋转频率调制以后的波形，如下图。

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副边绕组输出电压波形 副边绕组输出电压经过解调后的波形 由于副边绕组各路对称，解调电路也一样，所以本设计只分析一路。 副边绕组的输出电压波形如下图。 10 eU经过二极管检波，电容C滤波后，变为脉冲电压UU，山东交通学院本科论文 无刷直流电动机的电子线路

在位置传感器转子不断旋转的情况下，经过解调电路后的电压

UU、UV、UW的波形如下图。

三个副边绕组输出电压经过解调后的波形 为防止电动机出现死区，即在某区域内没有电磁转矩，位置传感器的转子角度要设计得比理论角度大一些。所以

UU、UV、UW相邻之间在时间上有重叠

区。用它们来驱动电动机时，就会出现相同时导通的状态，这个状态的存在对于非桥式星形电枢绕组而言是有益无害的，它可以减小电动机的转矩脉动。但是重叠区不能太大，过大的重叠区导致电动机效率下降。

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山东交通学院本科论文 磁路计算

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磁路计算

一、主要技术指标 （1） 电源电压U U=24V （2） 额定转速nH

n1500r

minH（3）额定功率PH

PH25W （4）效率η

η=80% 二、绕组形式选择：

（1）按用户对外形尺寸的要求，选用50号机座。

（2）因对转速稳定度要求不十分苛刻，故选用“一相导通星形三相三状态”形式。即电枢绕组采用三相星形绕组，电子换向及驱动线路为非桥式。这样，在满足技术指标的条件下，可使电动机及线路结构简单，功耗降低，节省电子元件。 三、磁路结构尺寸：

效率为0.85

（1）.计算功率：P'12N120.8526.47W3N30.85

'（2）.应用电动势初算值：Ea12N120.85UN2425.41V 3N30.85（3）.极对数：P=1

（4）.永磁材料：铝镍钴永磁：LGNT72 （5）预计工作温度：750C （6）.永磁体剩磁密度：Br201.05T （7）.工作时的剩于磁密度为：

ILBr1t20Br1Br201001000

0.0701752011.051.037T1001006

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Br为Br的温度系数：0.022%K1 IL为Br的不可逆损失率：0% （8）.永磁体计算矫顽力：Hc20111KAm

ILHc1t20Br1Hc20100100 工作的矫顽力：

0KA175200.0221100111109.66mBr（9）.永磁体相对复磁导率：r=.00946 1031.37109.6610000HC（10）.线负荷预估值为：30Acm

（11）.气隙磁密预估值：B'0.75Br0.751.0370.778T （12）.计算极弧系数：ai0.6~0.75 取0.7 （13）.长径比预估值：0.6~1.5 取1 （14）.电枢直径： Da346.1P'1046.126.471034.04cm ''aiABnN0.75300.77815001取4.0cm

（15）磁路结构尺寸

定子冲片材料选用D44，冲片厚度为0.35mm

定子冲片外径DS

DS=4.4 cm

定子冲片内径Da Da=2 cm

槽数 Z=12

齿宽 bz=0.22 cm 轭高 hj=1 cm 齿高 hz=0.6 cm 槽口宽 b0=0.15 cm 槽口高 h0=0.5 cm 铁心长 la=4 cm

单边气隙 0.03cm

7

山东交通学院本科论文 磁路计算

转子外径Dm

Dm1.94cm

（16）磁钢计算体积2V'm

2V'm=0.0834

P'CKfBmHHmK108

26.471.821.2108=0.0834=71.5cm3

9333548.325pn11500式中 f=H==25Hz

6060 BmH=0.9Br=0.91.037=0.9333T

HmK=0.5Hc=0.5109.66=54.83KA/m 为漏磁系数1.2

C为考虑外磁路系统中磁压降的系数1.5-3 取1.8 K为起动电流倍数：2.0 （17）实际的磁钢体积Vm

对于圆形磁钢 Vm=

4(2V'm)=.68cm3 

（18）磁钢尺寸的确定：

截面积：SmVlm.6822.42cm2 41.0cm

内径:dmDm2磁钢截面积 SM=磁钢轴向长度

Sm4422(DmdB)=

4(3.9421.02)=19.775cm2

Vm.684.5cm SM19.775取lm=4.5cm.

lm=

（19）绕组系数的计算 采用短距绕组 y15

8

山东交通学院本科论文 磁路计算

极距 =

Z6 2pz12齿距 tz=Da20.525cm

kysin(y190)0.966

230sinsin220.966 kfsin30qsin222kdpkykf0.934

q（20）气隙系数的确定：

0.3741.25 22r50.03t0.3745r55Da3.142 t 为齿宽：tb00.150.374

1212 kt rb05

b0为电枢冲片的槽口宽 四、<一>空载特性曲线计算：

1、气隙磁通： iBla=0.764B16.8B

2、气隙磁势： F1.6104kB1.61041.25B20000B

3、齿部磁通密度： BtzB0.525B2.57B btKFe0.220.93 这里取冲片叠装系数KFe0.93

4、齿部磁势： FthtHt0.6Ht102

104B1041344B 5、电枢轭部磁密： Ba2hjlaKFe2140.936、电枢轭部磁势： FjLjHj2.86Hj102

7、由于转子采用圆柱形磁钢，因此转子部分的磁压降为零

（Wb） 0.0002 0.0003 9

0.0004 0.0005 山东交通学院本科论文 磁路计算

B （T） F （A） 0.244 202.7 0.344 250 1.5 0.403 144 4.12 208.32 0.367 337.9 0.574 300 1.8 0.67 200 5.72 345.42 0.4 540.6 0.918 472 2.83 1.07 456 13.04 556.47 0.61 675.8 1.148 3250 19.5 1.34 1010 28. 724.19 0.00125 B （T） H（A/M） F （A） Bj （T） Hj （A/M） Fj （A） F（A） （Wb） 0.000375 0.000625 0.001

〈二〉磁钢去磁曲线的计算

把磁钢的去磁曲线从B-H换算到φ-F平面： m2SmBm4.78104Bm FMHMLMj3.8102

BM 1.05 1.02 1.00 0.95 0.9 0.8 0.6 0 HM 0 30000 50000 70000 78000 90000 100000 111000 M 5.019 4.876 4.876 4.541 4.302 3.824 2.868 0 FM 0 1140 1900 2660 29 3420 3800 4218 〈三〉确定磁状态

由图中曲线fAWm与曲线f0AWm相交可得

00.000488 韦；

五、电路计算

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山东交通学院本科论文 磁路计算

1、电枢绕组每相串联匝数 W

W11.55UUpn0kw010811.55242135000.934.000488108159.28（匝）

式中 U=24V; U2V;n03500rmin 取W=160匝

kwkykf0.9660.9660.934

取w80匝,则实际空载转速为

11.55(242)108n03795.4r

min800.9340.0004882、每槽导体数N

2mw238040 Z12采用双股并绕，每槽实际导体数为 N1N1y40 匝

23、有效槽面积S

(b02b1b2)h023.7mm2

24、槽内允许放置的导线截面积

'Sk'qCu0.1937mm2

N'0.65 这里取槽满率k S查表取di=0.5mm 实际槽满率为：

2800.54k0.66

S423.75、选取导线线规

N1导线直径 dCu0.38mm;dH30.43mm带绝缘导线直径 导线截面积qCu0.1134mm2 导线电阻系数k0.506m 6、电枢绕组元件平均半匝长

11

山东交通学院本科论文 磁路计算

lcpla1.2Dcp2p

9.75

这里取绕组平均直径Dcp3cm 7、电枢绕组每相电阻 每相绕组导线总长

lCZLcp2 9360cm

绕组温度为20c时，每相电阻r200C0lc2.17132641048.92

S0.532绕组温度为750C时，每相电阻r750C1.22r200C1.228.9210. 六、主要技术指标核算

1、额定工作时反电势最大值EmH

pnHkww 60150014.4420.9341600.000448 6010.5(V)2、电枢反应计算

EmH4.442起动电流Ist

IstUU221.49A r200C14.8起动时直轴电枢反应电势

3Istwkw 431.491600.934 4 =96.42 （安/匝） Fad

额定工作时平均电枢电流

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INUU0.827EmH

r750C220.8271.5 10.1.5A额定运行时直轴电枢反应电势

3Iwk 43 1.91600.934

4 =74.4 （安匝） 由此作出曲线： Fad fk(Fm)

它与去磁曲线的交点即为电机额定运行时的气隙磁通0.00047韦 3、电机额定工作时平均电磁转距计算

TN0.304wp3UU1.48EmH

ir750C16010.00047[3(242)1.4810.5] 0.6518.10.0407(Nm)4、起动转矩：

0.304 Tst0.3040.304pir203(UU)

16010.000473(2422) 0.714.80.084(Nm)5、线负荷：

2mNIav nDi123800.763 21.94

30.046(A/cm) n 导体并联根数

As 与初取值的误差为6、电密：

30.04630100%0.15%符合要求 3013

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JIN0.7633.A/mm2 符合要求 qcu0.19七、损耗与效率（额定工作时） 1、定子铁耗

① 齿部铁耗：PFek1PhetGt2.50.824.04940.102w 式中k1对于半闭口槽按经验取2.5

Gt为齿部重量：

Gt7.8bzhzZla7.80.220.61240.0494kg Phet为齿部铁损耗系数，根据Bt查表为0.824W/kg

② 轭部铁耗：

PFejk1PhejGj20.1850.7680.284w 式中k1按经验取2 Gj为齿部的重量：

Gj7.8[Ds2(Ds2hj)2]la

47.8[4.652(4.6520.45)2]4 40.185kg Phet为齿部铁损耗系数，根据Bt查表为0.768W/kg

 定子铁损耗为：PFePFejPFet

=0.102+0.284=0.386 W 2、铜损耗：

PIn2r754.13w 3、轴承摩擦损耗Pm

PmpnkmGpnH106

3115.3515000.000001 0.519w

式中km3 GP为转子重：

GpGmGrGwGg 76.120.210.58.55

115.35g Gm为永磁体重：

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Gm7.4D24d2rBlm

7.4 4[1.9420.562]3.8 76.1g Gr为转轴重：

G2r7.84dbL

7.840.56210.5

=20.2g

Gg为跟踪转子重：

G2g8.541.20.4218.55g

Gw为其它部分重，取10.5g

4、风损

P314mpb2Drn3lm10

21.94150033.810140.00187w

5、机械损耗，铜损耗和铁损耗P

PPFePmpnPmpb

0.3864.130.5190.001875.04w

6、电动机输入功率 P1UIN： 241.536w 7、电动机效率：

P2P30.96100%86%136 P2P1P

=27.6-5.04 =30.96W

8、无刷直流电动机总效率： 设线路部分耗电100(毫安)，则

'P2UI

N0.115

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30.96241.50.1

81%9、起动转矩倍数：

NstTst0.0842.06 TN0.0407考虑到采用脉冲调宽稳速，其脉冲占空度应小于1.按技术指标要求，额定功率为25W,

而现在实际功率为30.96W,故其占空度为 Kzh250.8 30.96满足要求。

10、当电源电压下降为22V时

2220.82710.51.25AIN10.16010.00047TN0.3043(222)0.07Nm0.714.8P1221.2531.25wP2P1P31.255.0426.21w26.21100%85%31.2526.21'100%82%221.250.1

250.9526.21从两种不同工作电压下所的计算可见，输出功率和稳速时脉冲占空度均满足技术指标要Kzh求。

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山东交通学院本科论文 参考文献

参考文献

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4、鄢景华．自动控制原理[M] 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995 5、欧阳明． MATILAB控制系统设计[M]．北京：国防工业出版社，2001 6、赵相宾，刘国林.变频调速和软起动技术的现状和发展[J].自动化博览.2000 7、蒋艺，杨俊生.变频调速器在供水系统中的应用[J].山东冶金.1999 8、邱文渊，童国道.国内外变频器技术的现状及我国发展策略初探[J].电子与自动化，1995

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山东交通学院本科论文 致谢

致 谢

大学四年的学生生活也以本篇论文的完成而正式宣告结束，激动之余，既位自己的辛劳感到欣慰，也对各位同学老师的帮助表示诚挚的感谢。首先需要真诚感谢的是我的毕业设计指导老师胡俊达教授，胡老师为人师表、朴实求是；尤其是在治学方面，他精益求精，严谨而具有耐心，对我们几位学生悉心指导，为大家的设计、锻炼创造各种条件。古人云“一日为师、终身为父”，这句话很能表达我们对恩师胡老师的感激之情。在几个月的毕业设计中，老师教会了我不少东西，它们将会使我终身受益，再次衷心感谢恩师的授业诲人之情。

其次，我要感谢跟我朝夕相处的同学朋友、感谢他们对我的支持与协作、感谢电气与信息工程系自动化0101班的同学、以及我的师兄师姐师弟师妹们，衷心感谢他们，使我在美丽的湖工校园度过了愉快的大学时光，这份美好的记忆将永远珍藏在我的心底。

最后，我要感谢我远在家乡的父母和姐妹，他们的勤劳、勇敢、勇于向困难挑战的精神是我一生享用不尽的宝贵财富。他们是我一生中最尊敬和最亲密的人，在我茫然无助、不知所措的时候，是他们给我信心、给我鼓励，我永远尊敬、永远祝福我的亲人。

本篇表了我在湖南工程学院的学习生活的终点，也标志着正式迈入社会、投入社会主义建设的一个新的起点的到来，我相信自己定会不负老师、同学对我的期望，在新的人生道路上取得新的成功！

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