空调压缩机用无刷直流电动机及相应控制系统的设计

1、摘 要永磁无刷直流电动机具有惯量小、控制简单、动态性能好等优良特性，因此在航天、机器人、空调等许多领域得到了广泛应用。本课题针对空调压缩机，设计了无刷直流电动机以及相应的控制系统。针对空调用无刷直流电机设计公式及方法，以及考虑到降低电机的振动和噪音问题，设计了永磁无刷直流电机两台，普通型6极36槽和多极少槽型8极9槽电机。借助ansoft软件设计,两种电机进行比较表明：选择近似极槽的多极少槽电机，进一步选择适当的极弧系数，能大大降低齿槽转矩,但是运行效率却比普通型电机低很多.所以，多极少槽电机在空调压缩机电机中暂不可行。另外，无传感器控制技术是无刷直流电机控制领域研究的热点。本文采用pic18

2、f4580芯片对无刷直流电动机控制系统进行了设计，详细讨论了在去掉位置传感器的情况下无刷直流电机如何换相以及速度的提取问题，并且进行了相应的系统硬件。为了提高bldcm的调速性能，本文采用速度、电流的双闭环控制，并给出了其实现方法。本课题主要包括五部分：无刷直流电动机简介，初始数据方案设计，ansoft软件辅助设计，设计pic 单片机控制系统，结论分析。通过这五部，本文完成了空调压缩机用无刷直流电动机进行设计及相应控制系统的设计。关键词：无刷直流电机,优化设计,多极少槽,控制系统iii the bldcm optimization design and the application used

3、 in air-condition compressorabstractthe bldcm optimization design and the application used in air-condition compressorabstractpermanent magnet brushless direct current motor(bldcm) has good characteristic such as small inertia、easily controlled 、dynamic function well , therefore it has got extensive

4、 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 well as considering reduce motor&#

5、39;s 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 approximate pole and slot, fu

6、rther 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 control technology has been

7、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 software circuit. in order to im

8、prove 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 on electromagnetism design , de

9、signing 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 systemerror! reference source not found.目 录摘 要iabstractii第一章 绪论11

10、.1课题研究的目的和意义11.2空调用无刷直流电机的研究现状11.3无刷直流电动机有待研究的问题11.4无刷直流电动机的主要用途21.5课题研究的背景和意义31.6本文的主要工作及安排3第二章 永磁无刷直流电机简介42.1无刷直流电机的基本结构42.2无刷直流电机的工作原理52.3无刷直流电动机的数学模型62.4无刷直流电机技术发展趋势7第三章 空调压缩机用无刷直流电机设计93.1电机设计的主要约束条件93.2电机的设计方案的确定93.3电机材料的选择113.3.1 永磁体材料123.3.2 铁心材料133.3.3 磁路结构143.4主要磁路系数的选择153.4.1 空载漏磁系数153.4.2

11、 极弧系数163.4.3 气隙系数173.5 无刷直流电机主要尺寸的选择183.5.1 电枢直径和电枢铁芯长度183.5.2 电磁负荷的选择193.5.3 定子槽数和极数的选择193.5.4 槽形及冲片尺寸选择223.5.5 气隙长度的选择233.6电机磁路设计243.6.1 电机转子结构243.6.2 转子有效长度253.6.3 磁钢尺寸的选择253.7 设计流程图273.8 电磁设计方案28第四章 maxwell辅助设计及分析304.1 maxwell软件简介304.2 样机初始规格314.3 电机优化结果314.4 性能分析及讨论34第五章 降低齿槽转矩的分析与讨论365.1 引言365

12、.2 分析步骤375.2.1 转矩特性分析375.2.2 齿槽转矩的傅立叶分析375.2.3 极弧长度的选择395.3 有限元分析395.3.1 有限元分析模型395.3.2 电机的驱动电路模型405.3.3 系统仿真结果及其分析415.4 分析结果讨论445.5 两台样机的比较分析455.5.1 两台样机设计参数比较455.5.2 两台样机计算结果比较46第六章 无刷直流电机在空调压缩机中的应用476.1系统总体方案设计476.2闭环调速方案设计486.2.1 双闭环调速方案486.2.2 速度测量方案496.3系统核心控制器选择506.3.1 pic系列单片机简介506.3.2 pic系列

13、单片机优势516.4无位置传感器转子位置检测方案的选择526.4.1“反电势法”bldcm控制原理546.4.2“反电势法”bldcm起动方法研究566.5系统硬件电路设计576.5.1 系统功能要求576.5.2 系统硬件组成586.5.3 系统开关主电路设计586.5.4 电源电路设计596.5.5 转子位置检测电路设计606.5.6 驱动设计616.5.7 电流检测电路设计626.5.8 保护电路设计636.6 电机控制板64第七章 结论657. 1论文工作成果657. 2存在的不足和有待完善的工作66参考文献67附录a 6极36槽电机设计清单71附录b 8极9槽电机设计清单73附录c

14、无位置传感器bldcm控制原理图75在学研究成果76致 谢773 error! reference source not found.第一章 绪论1.1课题研究的目的和意义近几年来，磁性材料与电力电子技术的突飞猛进，使得永磁电机不仅可以获得高功率密度，也减少了电机的体积和重量，并且因没有同感应电机转子电流损耗而使效率进一步提高。由于永磁电机具有高效率和高功率因数，有待取代传统感应电机，成为各种科技产品的驱动动力源，例如：空调、航空、工具机、机器人、oa机器及精密纺织等。由于客户对于品质的要求日益提高，针对电机所产生的振动及噪音问题也更为关注，振动和噪音对于电机整体的性能影响很大，如效率和转速方

15、面。电机的振动也好似产品功能的一种障碍，更是可靠度及使用寿命的重要指标之一。然而造成电机振动噪音的来源非常多，如加工制造商的不精确而造成的轴弯曲、质量不平衡、轴偏心以及电机本身结构上的谐波磁场、铁心饱和及长期运转造成轴承的磨损等等。本论文将针对表面型永磁无刷直流电机来进行各项特性分析比较。1.2空调用无刷直流电机的研究现状永磁无刷直流电机和永磁直流电机相比，最大的特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构。加之，其转子采用永磁体励磁，没有激磁损耗；发热的电枢绕组通常装在外面的定子上，热阻较小，散热容易。因此，永磁无刷直流电机在保持了普通直流电机良好的调速和启动性能的同时，还具有无换向火花及无线

16、电干扰，寿命长，运行可靠，维护简便等优点。一般认为，永磁无刷直流电机既具有永磁有刷直流电机优良的机械特性和控制特性，又克服了有刷电机的缺点，具有更强的竞争力。1.3无刷直流电动机有待研究的问题(1) 转矩脉动：目前，永磁无刷直流电动机存在的最重要的问题就是存在转矩脉动。由于转矩存在脉动，使得无刷直流电动机在交流伺服系统中的应用受到了限制，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动使得电机速度控制特性恶化。尤其是用于视听设备、空调中的无刷直流电动机，更要求运行平稳、没有噪音。因而抑制或消除转矩脉动成为提高无刷直流电机系统性能的关键。转矩脉动产生的原因主要有：齿槽效应引起的转矩脉动，谐波引起的转矩脉动，

17、由换相电流引起的转矩脉动。目前，各高校以及科研机构提出了各种抑制或削弱转矩脉动的方法，这些研究无法根本上消除转矩脉动。因而，有待于进一步的研究。(2) 无位置传感器的转子位置检测方法：无位置传感器转子位置检测技术中，最常见和应用最广泛的是反电动势法。但该方法是在忽略电枢反应的基础上的进行的，在原理上存在误差，对于大功率无刷电动机，电枢反应对气隙磁密的影响更明显，误差也就更大。另一方面，电机在启动和低速时，反电动势为零或很小，很难通过反电动势来检测转子位置，无位置传感器的无刷电动机存在启动问题。因此，如何克服反电动势法中电动机的启动问题，是急需解决的。对于启动问题，一般采用三段式启动方法再切换到

18、无位置传感器的正常运行。(3) 最佳换向：最佳换向是为了使无刷直流电动机的输出转矩最大，脉动最小，实现效率最高的基点能量转换。最佳换相，包括最佳换向逻辑和最佳换相位置两个方面的含义，前者解决如何换向，后者解决什么时候换向。在最佳换向逻辑的研究中，大多是采用一套固定的有关转子位置信号和功率开关管的真值表，而缺乏系统的概括性更强的理论研究。尽管在理想状态下的最佳换向逻辑的研究比较透彻，但是在电机设计工作过程中最佳换向位置的研究还不够，实际运行的电机不同于理想电机，在理想电机中所忽略掉的次要因素实际上都会不同程度地影响最佳换向位置。因此，这就要求研究投入更多的精力。1.4无刷直流电动机的主要用途无刷

19、直流电动机是随着电子技术发展而出现的新型机电一体化电动机。它是电子技术和电动机技术结合的产物，由电动机和电子驱动器两部分组成。具有与普通直流电动机相似的线性机械特性和线性转矩、电流特性。关键特征:需要多相逆变器驱动；由于没有电刷和换向器，即使在很高的转速下，可得到较高的可靠性；有较高的效率；低的emi；总系统成本比直流电动机高；可实施无传感器控制。由于永磁无刷直流电动机得到越来越广泛的应用:在计算机外设和办公室自动化设备中的应用。在家用电器中的应用，例如音像设备、家用洗衣机、空调装置的应用。在汽车、电动自行车等交通工具中的应用。在医用领域中的应用，例如高速离心机、心脏泵等的应用。此外，在特殊环

20、境条件下，如潮湿、真空以及有害物质的场所，为提高系统的可靠性，采用无刷直流电动机。其中，军事和航天领域是无刷直流电动机最先得到应用的领域。1.5课题研究的背景和意义 随着大功率开关器件、集成电路及高性能磁材料的进步，无刷直流电动机得到了快速发展，并成为驱动先进制冷系统的发展方向。但在目前国内的绝大部分变频空调中，压缩机效率与功率因数较低，噪声较大，对变频器容量要求高。将永磁无刷直流电动机应用到压缩机中，则可以克服这些缺点，且不受电源频率限制，压缩机的额定转速可以设计得较高，既可以优化压缩机的运行功率，又可以减小压缩机的体积。传统的无刷直流电动机获取转子位置信息的方法是采用电子式或机电式位置传感

21、器直接测量，然而传感器有的分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如振动潮湿和温度变化都会使性能下降，使得整个系统的可靠性难以得到保证。由于压缩机的电动机往往是密封的，连线众多的位置传感器会降低电动机运行的可靠性，加之制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器很难正常工作。因此，采用无位置传感器无刷直流电动机具有很多的优越性。1.6本文的主要工作及安排(1) 学习无刷直流电机原理，学习无刷直流电机设计，定子部分，转子部分的设计。使用公式流程设计两台样机，使用ansoft软件进行优化，进行结果分析。(2) 无位置传感器控制方法的选择，文章选用了反电动势法检测转子位置。(3) 硬件电路设计。搭建基于

22、pic18f4580单片机的双闭环控制系统。 (4) 系统调试。对搭建的基于pic18f4580单片机的无刷直流电机控制系统进行调试，使该系统具有良好的控制性能。- 75 -error! reference source not found.第二章 永磁无刷直流电机简介无刷直流电动机(bldcm: brushless direct current motor)是近几十年随着电力电子技术而迅速发展起来的一种新型电动机，其基本原理就是通过驱动电路，驱动逆变电路的功率开关元件，反映转子位置的信号，使电枢绕组依照一定的顺序馈电，从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁式转子旋转1_2。随着转子的转动，

23、转子位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实现无刷直流电动机的机电能量转换3-4。2.1无刷直流电机的基本结构无刷直流电动机是一种可控制变频的永磁同步电动机，与永磁同步电动机相比，就是通入的电流为方波而非正弦波5。就其基本组成结构而言，可以认为是由直流电源、电力电子换相电路、永磁无刷直流电机和磁极位置检测电路组成的“电动机系统”，其中电子换相电路又由功率逆变电路和控制器组成。框图如图2.1所示： 图2.1无刷直流电动机结构框图 fig. 2.1 bldcm structure diagram在无刷直流电动机中，电枢绕组在定子上，永磁体在转子上。与传统的直流电动机相比，转子为永磁体

24、，产生气隙磁通；定子为电枢，由多相绕组组成，结构上与永磁同步电动机类似6。无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同，在铁心中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等)，绕组可接成星形或角形，并分别与逆变器的相应功率管相连，以便进行合理换相。在样机设计中，用反电势过零点检测电路来代替传统的位置传感器，这样使得电机的成本明显减小7。过零点检测电路将检测到的反电势过零点信号送入处理器，信号处理后，就形成有序的换相逻辑，触发相应的功率管使特定的相导通。2.2无刷直流电机的工作原理永磁无刷直流电动机的基本组成主要由电动机主体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成8。一般的直流电机由于电刷的

25、换相，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电动机运转9。永磁无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通过的电流总量恒定，以产生恒定转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关10。bldcm转子的气隙磁通为梯形波，电枢的感应电动势亦为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。bldcm三相电枢绕组的每相电流为120°通电型的交流方波，反电动势为120°梯形波。只要控制好逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。但是需要确定方波电流的通电时刻与感应电动势波形、转子

26、磁极位置有严格的对应关系，否则会产生较大的转矩脉动，使平均转矩减小11。永磁无刷直流电动机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种，三相半控电路的特点是简单，一般采用图2.2所示的三相全控式电路结构，在该电路中，电动机的绕组为星型联接。图2.2中的主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频调制波的对称交变矩形波。随着永磁体的n-s极交替交换，使位置传感器产生相位差120°的u、v、w方波,逻辑控制单元通过判断位置传感器信号而产生pwm相序来控制t1、t2t6六个功率开关器件的导通,使之工作在两两通电，三相六状态方式，两两通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通,每隔

27、60°电角度换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管每次导通120°电角度。各功率管导通顺序依次为t1-t4导通、t1-t6导通、t3-t6导通、t3-t2导通、t5-t2导通、t5-t4导通。也就是说将直流母线电压依次加在bldcm的定子绕组a+b、a+c、b+c、b+a、c+a、c+b上，在这种控制方式下，得到理想的相电动势和电流波形。图2.2 bldcm三相全控式结构图fig.2.2 bldcm three-phase all control structure drawing2.3无刷直流电动机的数学模型以二相导通星形三相六状态为例，分析bldcm的数学模型及电磁转

28、矩等特性。为了便于分析，假定：(1) 三相绕组完全对称，气隙磁场方波，定子电流、 转子磁场分布皆对称；(2) 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；(3) 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；(4) 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 则三相绕组的电压平衡方程可表示为： (2.1)其中，、为定子相绕组电压，、为定子相绕组电流，、为定子相绕组电动势，为每相绕组的自感，为每两相绕组间的互感，为微分算子。对于三相绕组星形连接，且无中线，则有： (2.2)并且有： (2.3)将式2.1、2.2和2.3经过整理，得到的电压方程为： (2.4)根据电压方程式2.3可得到电机的等效电路图，如图2.4所示：图2.

29、3 永磁无刷直流电动机的等效电路fig. 2.3 equivalent circuit figure of pm bldcm电压方程式2.4可写成如下形式： (2.5)电磁转矩方程为： (2.6)由式2.6可以看出，永磁无刷直流电动机的电磁转矩大小与相绕组的电流和反电动势的幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。2.4无刷直流电机技术发展趋势(1) 向高效节能方向发展：高效是指满载时效率高，节能是指综合节能效果。如效率相同，但使用对象不同，节电效果也不同。一般的稀土永磁同步电机，平均节电率高达10，某些专用稀土永磁同步电机，如油田抽油机用电机，节电率高达152

30、0。电动机的节能分两个方面。一方面是改革异步电动机的结构，提高效率和其他性能。欧美等工业发达国家，提高电机效率重点放在异步电动机上，英国三相异步电动机的用电量占电动机总用电量的86。其次是发展永磁同步电动机，可以取得更高的节电效果。根据我国国情，高性能的稀土永磁材料钕铁硼的产量现已居世界第一位，价格也趋向合理。统计资料表明，中小型永磁同步电动机的效率可提高5，节电率10，某些专用永磁同步电机节电达1520。所以发展永磁同步电动机是电机工业技术发展趋势之一。(2) 向机电一体化方向发展：要提升传统机电产品的水平，必须紧紧抓住机电一体化这个环节。实现机电一体化的基础，是发展各种机电一体化需用的各种

31、高性能稀土永磁电机，如数控机床用伺服电机，计算机用vcm音圈电机。一台60把刀加工中心，要配备30台伺服电机。变频调速稀土永磁同步电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。(3) 向高性能方向发展：现代化装备向电机工业提出各种各样的高性能要求，如军事装备要求提供给各种高性能信号电机，移动电站，自动化装备用伺服系统及电机，航空航天用高性能、高可靠性永磁电机，化纤设备用高调速精度变频调速同步电动机，数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁伺服电机，计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等。(4) 向专用电机方向发展：电机所驱动的负载千变万化，如全部采用通用型电动机，在某些情况下，技术经济很不合理。因此

32、国外大力发展专用电机，专用电机约占总产量的80，通用电机占20。而我国恰恰相反，专用电机只占20，通用型电机占80。专用电机是根据不同负载特性专门设计的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20，这方面的节能潜力很大。电机工作者不仅要研究电机本身，更应当研究所驱动负载的特性，设计出性能先进、运行可靠、价格合理的稀土永磁电机产品。(5) 向轻型化方向发展：航空航天产品，电动车辆、数控机床、计算机、医疗器械、便携式光机电一体化产品等，都对电机提出体积小、重量轻的严格要求。有些还对产品形状提出要求，如信息产品提出扁平化，世界上最小的电机已达到0.8mm，102mm，用于医疗检测。error!

33、reference source not found. 第三章 空调压缩机用无刷直流电机设计3.1电机设计的主要约束条件样机设计方案涉及的无刷直流电动机用于驱动空调压缩机，在转子铁心表面安装永磁体的结构形式，该电机性能指标要求如表3.1所示。表3.1 性能指标要求tab. 3.1 demands of performance indication性能指标参数1额定电压(v)4162定子外径(mm)1403轴向长度(mm)1604电机侧母线电流(a)155电机所需最大转速(r/min)40006电机所需最大负载转据(n·m)16可见，电机不仅要求在低转矩的和高转矩之间进行切换，还要求具

34、有一定的调速范围，并且还限制了母线电流。对电机而言，要调节转矩，这就要求要么调节电机绕组匝数，要么绕组电流，以达到产品的设计要求。为了减小绕组电流，只能增加绕组匝数。另一个问题是电机要求有相对较高的转速，在电枢绕组匝数较多的情况下会使反电动势变得很大，甚至在理论计算上超出电源电压，这是不可能的，所以匝数又要选的足够小，这就给设计增加了复杂性。当电机长时运行需求的两种转矩相差不大时，传统的无刷直流机的设计方法及其所设计的电机即可满足要求。3.2电机的设计方案的确定 (1) 无刷直流电动机设计方案的选择：无刷直流电动机具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能，主要表现在以下几个方面：1）由于

35、采用了高性能永磁材料，无刷直流电动机的转子体积得以减小，可以具有更低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩惯量比。2）由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以无刷直流电动机具有较高的效率和功率密度。3）由于没有转子发热，无刷直流电动机也无需考虑转子冷却问题。4）可靠性高，寿命长，不必经常进行维护和修理，无电气接触火花。5）可在高转速下工作，专门设计的高速无刷直流电动机的工作转速可达每分钟10万转以上，机械噪声低。6）发热的绕组安放在定子上，便于温度监控，易得到高功率密度。7）必须与一定的电子换向电路配套使用，从而使总体成本增加，但从控制的角度看，有更大的使用灵活性。永磁同步电动机把交流电动机

36、复杂的磁场定向控制转化为转子位置定向控制，而无刷直流电动机则进一步将其简化为离散六状态的转子位置控制，也无需坐标变换。与永磁同步电动机相比，无刷直流电动机也具有明显的优势：1）无刷直流电动机采用方波电流供电，可以提供更高的转矩体积比。2）在电动机中产生的梯形波的磁场分布和梯形波的感应电动势要比产生正弦波的简单，因此无刷直流电动机结构简单、制造成本低。3）对于永磁同步电动机，由于定子电流是转子位置的正弦函数，系统需要高分辨率的位置传感器，构造复杂，价格昂贵。4）产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器要简单，控制也简单得多，因此无刷直流电动机控制系统简单、控制器成本较低。采用无刷

37、直流电动机方案时，应使梯形波平顶宽度大于120º电角度，即极弧宽度大于120º电角度，此时采用理想的矩形波电流驱动产生的电磁转矩脉动系数接近于0，而此时正弦波电流驱动的电磁转矩脉动系数较大31。(2) 电枢绕组形式和开关主电路的接法：无刷直流电动机的电枢绕组形式，有星形式和封闭式两类，电子换向线路有桥式和非桥式之分，绕组相数也有两相和多相之别。无刷直流电动机的绕组形式直接关系到逆变器、控制器的复杂程度以及系统性能，电机相数越多，则输出的功率越大，力能指标越高，电机转矩脉动越小，但逆变器需要的功率开关器件相应增加，从而使系统复杂化和成本提高。目前常用的绕组形式为三相绕组，对逆

38、变器，三相桥式换向电路可实现较好的电机性能，但使用的开关功率较多，价格较高；三相非桥式换向电路的开关数量减少一半，较为经济。因此两种逆变器接法适用于不同的场合，均获得了广泛的应用。(3) 无位置传感器转子位置检测方案的选择：无刷直流电动机的运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应地改变其不同触发组合状态来实现的。因此准确检测转子的位置，并根据转子位置准时切换功率器件的触发组合状态是控制无刷直流电动机正常运行的关键。和永磁电机所需要的连续位置信号相比，bldcm仅仅需要几个关键的换相时刻位置信息。目前国内外比较典型的有反电动势法。对于稳态运行的电机来说，反电势法是一种简单、实用的转子位置检测

39、方法。由绕组反电势波形直接反映转子的位置，因此对于无位置传感器无刷直流电动机可以利用绕组反电势来间接获取转子的位置信息。三相绕组反电势及相电流波形如图3.1所示。对于采用两相导通三相六拍运行方式运行的无刷直流电动机而言，三相绕组中在任意时刻总有一相处于断开状态，检测断开相的反电势信号，当其过零点时，转子直轴与该相绕组重合，再延迟30º电角度即为无刷直流电动机的换相点。图3.1理想的相电势和相电流波形fig.3.1 ideal phase-electric potential and phase-current drawing3.3电机材料的选择电机所有的材料包括导线材料，导磁材料及绝

40、缘材料等等，本节将介绍铁芯和永磁体材料。永磁体材料的选择对电机输出功率、体积与价格具有相当大的影响力。3.3.1 永磁体材料由于永久磁体具有相当高的能量密度，因此已广泛应用在电机机械上，以取代传统绕线式磁场，但永磁体等級与体积的大小是決定电机价格和使用性能的重要因素，如果能认真选择永磁体等級和大小，则电机的价格可以大大的降低，且性能亦能提高。永磁体是一种具有高能量的物质，在电机和其他机械设备中应用非常广泛。在电机中，主要用到的永磁材料有铝镍钴，铁氧体和稀土永磁材料。(1) 铝镍钴永磁材料：铝镍钴(alnico)材料是由金属铝、镍、钴、铁和其他微量金属元素构成的一种合金。其金属成分的构成不同，磁

41、性能不同，从而用途也不同。铝镍钴永磁有两种不同的生产工艺：铸造和烧结。铸造铝镍钴工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状，强度高，抗腐蚀能力强，具有良好的温度稳定性，最高工作温度可达600以上。这种永磁材料有很高的剩磁，可达1.3t，可以提供较大的气隙磁密，但是这种材料的矫顽力很低，只有120ka/m，很容易退磁。(2) 铁氧体永磁材料：铁氧体(ferrite)材料是由锶、铅和铁等元素组成，不含镍钴等贵重金属，所以比较便宜。这种材料有较高的矫顽力，可达300ka/m，但是剩磁不高，只有0.2-0.44t，铁氧体的温度系数为正值，它的内禀矫顽力随着温度的升高而增大，所以这种材料不适宜在零度以下的环境工

42、作。(3) 稀土永磁材料：在稀土永磁材料里，主要有稀土钴(smco)和钕铁硼（ndfeb）永磁材料。稀土钴的主要特点剩磁和矫顽力都很高，剩磁在0.85-1.1t之间，矫顽力可达480-800ka/m，温度系数也较低，稳定性好，它的退磁曲线呈线性变化，所以分析磁路较方便。从表3.2中可以看出，对于钕铁硼，是应用最多的新型永磁材料，在正常温度下，其剩磁可达1.29t，矫顽力可达987ka/m，这种材料退磁曲线也呈线性，是用来制造永磁电机的理想材料。但是它的温度系数较高，在高温下容易退磁，所以这种材料制作的电机在低温下运行特性很稳定。所以本设计选择了永磁体材料钕铁硼。图3.3为120º下钕

43、铁硼材料的内秉退磁曲线和退磁曲线（ndfeb-256h）。表3.2 四种永久磁体材料特性比较tab.3.2 four kind of permanent magnet materials behavior comparison永磁材料磁特性物理特性剩磁保磁力最大磁能积磁导率b温度系数密度%/ndfeb13.610.511.0461.05-0.127.4smco11.26.76.9311.03-0.038.4ferrite4.42.82.94.61.1-0.185.0alnico11.51.61.6111.3-0.027.3图3.6 120º下钕铁硼材料的内秉退磁曲线和退磁曲线（ndf

44、eb-256h）fig.3.6 ndfeb material's hold in demagnetization and demagnetization curve under 120º3.3.2 铁心材料bldcm的铁耗主要集中在定子上，定子一般采用硅钢片叠加而成，在设计电机时，应保证电机在额定工作点时，硅钢片中磁感应强度值在磁化曲线临界饱和点附近，以达到充分利用材料的目的。硅钢片的种类很多，按照工艺分可以分为热轧和冷轧两种。冷轧钢一般分为两种，一种是含硅在13%的，比热轧硅钢片损耗系数小，磁导性好，平整度高；一种是无硅钢片，含硅量在0.5%以下。硅钢片本身为软磁材料，软磁

45、材料的磁滞效应较小，其较高的磁导率，使得磁阻很小，这样，小磁阻和高磁导使得电机在通入交流电时铁心损耗很小。在电机正常工作时，由于电场的交变，在铁心中会产生涡流损耗，涡流损耗与很多因素有关，其中，硅钢片的厚度是影响损耗大小的主要因素之一，硅钢片越厚，损耗就越大，所以硅钢片越薄越好，但是考虑到其机械强度，其厚度就不能小于0.3毫米，但在一些技术先进的国家，已经开始采用0.1或0.2毫米的硅钢片。在电机运行时，由于电磁感应，铁心中就伴随着涡流损耗和磁滞损耗，这是难以避免的，其大小可以由下式计算：磁滞损耗： (3.1)涡流损耗： (3.2)其中，、是与材料有关的常数，为通过铁心的最大磁密，是与材料有关

46、的常数一般在1.52.5之间。为硅钢片电阻率，为冲片厚度，可见，减小冲片厚度是非常必要的。 通过集中材料性价比的综合考虑，定子铁心、转子铁心采用了d23号钢。 图3.2 软磁材料b-h 磁化曲线fig.3.2 soft magnetic material b-h magnetization curve3.3.3 磁路结构bldcm在磁路结构上最大的特点是永久磁钢做转子11。其结构形式要根据具体的应用要求和所选择的永磁材料有关。无刷直流电机的转子结构形式主要有外装式、嵌入式、内埋式三种基本形式。前两种形式又统称为外装式结构，是无刷直流电动机经常采用的的转子结构形式。常用的三种结构的励磁磁场波形如

47、图3.3所示（不考虑齿槽作用）：图3.3 稀土永磁转子激磁磁场波形fig. 3.3 field wave of rare-earth magnetic rotor从图3.3可以看出图a)励磁结构容易产生方波气隙磁感应强度，所以本设计的方波无刷直流电动机采用瓦形永磁体径向激磁方式。3.4主要磁路系数的选择3.4.1 空载漏磁系数空载漏磁系数是描述不经过主磁路而直接回到磁极磁通大小的系数，把它定义为空载时永磁体向外磁路提供的总磁通与外磁路的主磁通之比12。它反应的是空载时永磁体向外磁路提供的总磁通的有效利用程度。当大时，表明漏磁导相对较大，也就是在永磁体提供总磁通一定时，漏磁通相对较大而主磁通有所

48、减少，永磁体的利用率就差；另外大，表明对电枢反应的分流作用大，电枢反应对永磁体两端的实际作用值就小，永磁体的抗去磁能力就强。因而设计需要综合考虑，适当选取值。在实际工程计算中，需要对三维场的直接求解，由于三维静磁场计算比较复杂，通常用二维静磁场来代替三维场，端部漏磁采用修正系数加以修正，于是，漏磁系数为3.3式，在初步估算时，也可以根据参照表3.3所示。 (3.3)式中为端部漏磁修正系数，。 表3.3 永磁无刷直流电机空载漏磁系数 tab.3.3 pm bldcm idling leakage factor磁极结构无极靴瓦片形圆筒形弧形端面式漏磁系数1.11.31.21.41.31.41.51

49、.63.4.2 极弧系数极弧系数是描述在一个极距范围下实际气隙磁场分布情况的系数。其大小由磁场的分布曲线决定，因而它决定于励磁磁势分布曲线的形状，空气气隙的均匀程度以及磁路的饱和程度。一般情况，气隙磁通在一个极距范围内的分布曲线如图3.4所示：图3.4 一个极下沿电枢圆周方向的气隙磁密分布fig.3.4 air gap magnetism dense distribution along armature circumference under one pole每极磁通为如式3.4，极弧系数如式3.5： (3.4)， (3.5)其中，为气隙磁密的平均值，为气隙磁密最大值，显然，是一个小于零的数

50、。从另一个角度来说，可假设每极气隙磁通集中在一个极弧长范围内，并认为在这个范围内气隙磁场分布均匀，那么极弧系数就为极弧计算长度与极距之比：，如图3.4所示。在正弦分布的气隙磁场中，极弧系数约为=0.637，但是在直流电机中，气隙磁场一般为平顶波，所以极弧系数相对较大，一般取0.7以上。3.4.3 气隙系数气隙系数是一个描述电机因开槽而影响了气隙的有效长度的系数。假设转子表面光滑，定子铁心表面开槽，则槽口的存在使得气隙磁阻增加而槽口处的磁通减少，导致气隙磁通减少。为了维持主磁通为既定值，则齿顶处的气隙磁密由无槽时的值增大到一个更大的值，所以开槽后，最大气隙磁压降为： (3.6)上式就定义了气隙系

51、数为： (3.7)显然，气隙系数是一个大于零的数，是计算气隙长度与实际气隙长度的比值，也是实际的气隙最大磁通密度与计算时采用的最大磁通密度的比值。表明电机因为开槽使得等效的气隙长度有所加长，有槽时的气隙长度是无槽时气隙长度的倍。在永磁电机中，永磁体的磁导率与空气的基本相等，永磁体的存在相当于加大了气隙长度，依上面的分析方法，可用下式计算永磁电机的气隙系数，其中，定义为槽宽缩减因子。 = (3.8) (3.9)3.5 无刷直流电机主要尺寸的选择在永磁电机设计中，首先根据主要的技术指标和性能指标对电机的主要尺寸进行确定，然后根据电机的运行环境及其他要求来选定定子、转子的结构和相关参数，选择合理的相

52、数、槽数、极数的主要尺寸，再应用ansoft软件对电机其他参数进行优化计算和电机性能分析。3.5.1 电枢直径和电枢铁芯长度在无刷直流电机的设计中，主要尺寸指电枢直径和电枢铁芯长度，除了可根据用户实际使用中安装尺寸要求或参考类似规格电机的尺寸确定外，它可根据给定的额定数据来选择。它确定了电动机的外形轮廓、重量以及材料费用。转子激磁和定子的电枢结构决定了它们的大小，对于发挥不同种类稀土永磁材料的性能、保障电机的性能指标和体积重量要求，起着至关重要的作用。在给定的功率和转速下，电机的主要尺寸基本取决于电磁负荷的选取，其关系为： (3.10)其中，为电枢直径(m)，为电枢铁心长度(m)，为额定转速(

53、r/min)，a为电负荷(a/m)，为磁负荷(t)，为永磁体极弧系数，为电机计算功率(w)。电机长径比的选择对电机的性能、重量、成本有很大影响。在用次直流电机设计中，一般取。将代入公式3.10可得到电枢直径的计算公式： (3.11)从上式可以看出:(1) 在电磁负荷一定时，电动机的体积与电磁功率成正比，与转速成反比。(2) 转速一定时，若直径不变而采用不同长度，则可得到不同功率的电机。(3) 在技术指标给定的情况下即电动机电磁功率和转速不变时，电动机的主要尺寸很大程度上取决于所选的电磁负荷。电磁负荷选的越大，电动机的尺寸就越小，材料越节省。但是随着电磁负荷的增加，电机的铜耗、铁耗会相应增加，效

54、率下降，影响电动机的使用寿命。实际设计过程中，应综合考虑电机的功耗和体积，合理选择电机的电磁负荷。(4) 输入定子绕组的方波电流为120°电角度，必须产生顶宽大于120º的梯形反电动势波形，这就要求气隙磁密的宽度也必须大于120°电角度，即>0.667。3.5.2 电磁负荷的选择直流电动机的主要尺寸与所选择的电负荷和磁负荷有密切关系，电励磁直流电动机可根据设计要求和经济性，找到最佳的电磁负荷值。电机气隙磁密主要由所选用的永磁材料的剩磁决定，与磁钢的结构形式有关，对表面凸出式的瓦形钐钴或烧结钕铁硼永磁体，比较容易产生方波气隙磁密，气隙磁密一般可达到0.60.8

55、5t。a应根据电机的具体工作方式及冷却条件选择。对于连续运行的永磁直流电动机，若为小功率电机，电负荷一般为30100a/cm；若为小型电机，电负荷为100300a/cm。因为本设计涉及空调压缩机用无刷直流电机，功率5千瓦左右时的电磁负荷为基准，再综合考虑四季变化时的情况确定电机主要尺寸。预取电负荷为120a/cm，磁负荷为0.8t。3.5.3 定子槽数和极数的选择(1) 相数的选择：稀土永磁无刷直流电动机的绕组由功率电子元件的开关电路供电，不受工频电源的限制，因此有较大的选择范围，一般选择两相、三相或四相。而五相以上则应用的较少，相数太多会使换相变得更加复杂，但也有好处，在电机运行过程中即使有一相出现故障，但电机还是可以运行，不会因为缺一相而停转，增加了电机运行的可靠性。总体来说，相数的选择主要需考虑的因素有：1）绕组的利用程度：稀土永磁无刷直流电动机运行时是依次各相通电产生转矩的，在同一时刻，不是所有的绕组都产生转矩，所以绕组越多，其利用率就越低。2）电子开关电路的复杂程度：相数增加后，则电子线路上的开关元件