无刷直流电机实体设计

1、无刷直流电机本体设计摘要：无刷直流电机即不使用电刷进行换向，而采用电子方式进换向。由于其高转速、寿命长、机械损耗小等优点，具有更广的运用空间。通过此次设计，以了解无刷电机结构、性能；并进行其控制系统的简略介绍。关键字：无刷直流电机 电刷 电子换向 控制系统一、引言 本次主要是针对微型电机本体进行设计，了解无刷电机与有刷电机结构差异。针对其具体指标要求，进行电机本体计算，了解电机设计中一些具体细节及难点，如紧圈、极弧系数、空载负载工作点等，从而完成对电机本体设计。二、电机主要指标额定电压：P=20W额定转速：n=1500r/min额定电压：V效率：=70%极对数：p=1三、电机实体计算本电机短期

2、运行 取线负荷A=50A/cm预取计算极弧系数此处取0.7预取长径此处取1预取气隙磁密B=0.5T1、定子结构计算：电枢内径D=取电枢内径 D=1.7cm电枢外径D=3.3cm极对数p=1电枢铁芯长L= D=1.7cm极距D/2p=2.67cm定子齿数Z=12齿距t=/12=0.445cm定子槽型：开口梯形槽槽口宽=0.1 cm槽口深=0.1cm槽肩宽=0.2cm槽肩深=0.05 cm槽底宽=0.4cm槽身深=0.3cm槽面积=0.0975cm电枢轭高h=0.35cm齿高h=+=0.45cm平均齿宽R=D/2+h+h+h=1.3cm=1cm=1.53cm=1.55cm=1.54cm单边气隙取=

3、0.02cm气隙系数=0.9电枢铁芯沿轭部磁路长=(1-)=1.38cm电枢冲片选材 DW330-0.35电枢冲片叠片系数K=0.95电枢冲片密度电枢冲片比损耗(10/50)=2.50W/Kg2、转子结构计算：磁钢外径 磁钢厚度 磁钢内径 =1.46cm紧圈外径转子轭高 h转子轭外径转子轭内径转子磁轭沿磁路方向长度磁钢磁化方向截面积磁钢材料XGS165/80最大剩磁积范围（）150180kJ/顽磁（剩磁） T矫顽力材料密度 取漏磁系数顽磁温度系数气隙磁通电枢轭部磁感应强度电枢齿部磁感应强度转子轭部磁感应强度气隙磁势电枢轭部磁势电枢齿部磁势转子轭部磁势总磁势总磁通将B-H曲线转换至F曲线：F=2

4、H由于所选磁钢材料为硬磁材料所以去磁曲线为一条直线，过点（1.4,0）、（0，）。/T0.10.20.40.60.81/T0.280.561.121.682.242.8/T0.180.360.731.091.451.82/T0.370.751.502.242.993.72/(A/m)3.164.967.188.8410.1811.16/(A/m)2.333.825.787.088.289.2/(A/m)3.95.858.3810.1811.4813/Wb0.3820.7631.5262.293.0533.816/A122.3189.5275.2336.6385.1429.5空载特性工作曲线：其

5、空载工作点为（180,0.73）3、电路计算：绕组形势：星形三相三状态导通角每极每相槽数槽距电角度槽数表示极距分布系数短距绕组极距短距系数绕组系数管压降V并联支路数a=1预取空载转速每相绕组串联匝数取则实际空载转速电枢总导体数N=2m每槽导体数绕组端部长度电枢绕组平均每匝长度导线材料AWG26导线直径d=0.404mm导线完成外径导线截面积槽满率导线电阻率每相电枢绕组电阻导线工作温度下电阻4、电枢反应计算：取启动电流启动时每极直轴电枢反应最大值预取负载时气隙磁通额定时反电动势最大值其中，额定时平均电流额定工作时每极最大去磁磁势负载特性工作曲线：负载特性工作点(221,0.7)，即F=220A，

6、0.183T，额定工作时电磁转矩 启动转矩5、性能计算：电枢铜耗电枢铁耗其中，工艺系数电枢齿部重量电枢轭部重量磁钢齿部重量磁钢轭部重量转轴重量，转轴采用硅钢其密度传感器中约为轴承摩擦损耗取摩擦转矩输出转矩四、电机控制系统无刷直流电机的控制系统，如图所示1、控制电路：本控制系统在电机定子上安装3个霍尔元件，利用霍尔元件感知磁场强度大小，从而推算转子位置，将信号传至控制电路，从而控制晶闸管的通断，实现电机的发电与电动控制。（规定此时转子位置为）通过测量三霍尔元件电压大小推算转子位置，进而与控制电路设定一电压进行比较，当时，控制晶闸管V1、V6导通，转子逆时针旋转；此时，控制电路控制V3、V2导通，

7、同时晶闸管V1、V6关断，转子逆时针旋转；当时，控制V4、V5同时导通，关断晶闸管V2、V3，转子旋转；控制V1、V6导通，关断V4、V5，转子旋转回到原出发点；如此往复循环，实现电机电子式控制。2、霍尔元件：霍尔元件是对于磁敏感的传感元件当霍尔元件靠近磁钢时就会产生脉冲数输出，通过FPGA特定程序计算得出转子速度，然后与额定转速进行比较，将二者之差作为速度调节器的输入，经速度调节器作用，其产生值作为电流调节器输入，与电流检测值进行比较，进而控制PWM输出波形占空比，从而实现对晶闸管的通闭。霍尔元件基本工作原理如图，霍尔元件具有四输入、输出口，当口通一电流时，导线周围会产生一磁场，其强度为，将

8、霍尔元件置于磁场中，在中通一电流，则其端口产生一电压。3、转速检测电路：无刷直流电机通过霍尔元件磁敏感特性，获得脉冲计算转子转速，反馈给转速调节器，进而进行转速控制。4、速度调节器：将反馈速度与给定速度进行比较，其差量作为PID控制器输入，经PID控制器运算后，其结果控制电机进行加速或减速。5、电流检测电路：将高精度电阻值与主干电路中，通过测得电阻电压，求得通过电阻电流值，即此时通过两相电阻电流值。将其反馈至电流调节器，进行电流调节。6、电流调节器：将反馈电流与速度调节器输出值进行比较，其差量作为PID控制器输入，经PID控制器运算后，其结果控制电流进行增大或减小。7、PID控制器：在控制系统

9、中，按照偏差的比例、积分、微分进行控制的控制器。本设计的速度调节器与电流调节器都采用了PID控制器，实现对于电流与速度模糊控制。PID控制算法：；其中，k为采样序列；为采样周期；为积分周期；为微分周期；取仿真波形如图：a为输入额定转速1500；b为电机实际转速；q1、q2为两个缓存器；p、i、d为控制模块比例模块、积分模块、微分模块；q为三模块计算相加值。例如，电机转速为1536，则与实际转速之差为-36，经过p、i、d环节运算其值分别为-72、-36、-36，则输出q为-144；同理，转速为1528，则与实际转速之差为-28，经过p、i、d环节运算其值分别为8、-64、-56，则输出q为-1

10、12。8、PWM控制模块：所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。控制系统工作原理：给定一个额定速度，通过霍尔元件位置检测算出一实际速度，如果高于额定转速，则减小PWM占空比，降低平均输入电压，进而降低平均电流，则输出转矩小于0，电机制动降速。五、结束语本次设计主要对于无刷直流电机定子、转子进行设计，确定定、转子尺寸与结构；同时有对于电机进行电路计算、电枢反应计算，对导线进行选材，确定其负载工作点；又进行了电机的性能计算，解决电机重量与损耗问题，确定其转矩输出；并对于其控制原理进行简略介绍。六、参考文献1. 永磁无刷直流电机的设计与电磁分析_金鑫2. 直流永磁电机的气隙与计算极弧系数的选取3. 无刷直流电动机的设计-叶金虎4. 径向充磁永磁电机