直流无刷电机本体设计

1、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2哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告直流无刷电机本体设计1. 设计任务(1) 额定功率(2) 额定电压(3) 电动机运行时额定转速(4) 发电机运行时空载转速(5) 最大允许过载倍数(6) 耐冲击能力(7) 机壳外径设计内容：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

2、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

3、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。图2-1-1 直流电动机的工作原理图 直流电源电动机位置传感器开关电路图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。图2-1-3 直

4、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

5、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

6、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（/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

7、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Ta，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Ta。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Ta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

8、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。图2-2-3 各相绕组的导通示意图 2.3 直流无刷电机设

9、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

10、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。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 (1)从图2-4-1的曲线对比，取Da=3.4cm=34mm。(2) 电磁负荷的选择 (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；

11、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。

12、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的关系图2-4-3 磁负荷B与定子内径Da的关系(

13、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 (3)图2-4-4 计算极弧系数与转子外径Da的关系由Da=3.4cm，根据图2-4-4，参考以往经验值，预取=0.9。预取系数，效率，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和数值下，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： (4)由Da=3.4cm，La

14、=6.8cm，代入式（4）计算得。(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，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，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

15、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

16、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。若取极对数p=2，则 (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： 应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。 有良好的机械性能，以方便加工和装配。 经济性要好，价格适宜。目前在直流无刷电机中常用的永磁材料有铝镍钴合金、铁氧体和钕铁硼等。在满足性能指标的

17、前提下，考虑到其经济性，百瓦级的小型直流无刷电机转子磁钢选用铁氧体。2） 磁钢结构的选择小型直流无刷电机按工作主磁场方向不同，主要有径向磁场型式和切向磁场型式两种，如图2-5-1所示。图2-5-1 转子磁路结构1) 径向磁场型式采用径向磁场结构的小型直流无刷电机的运行速度一般比较低，可直接将励磁磁钢粘结在转子磁辘上。为了减轻转子的整体重量，可以在转子磁扼上开减轻孔，如图2-5-1a所示。从图2-5-1a的主磁路可以看出，径向磁场型式是一对极的两块磁钢串联。仅有一个磁钢截面积对每一个气隙提供磁通，而由两个磁钢长度对发电机提供磁势。2) 切向磁场型式如图2- 5-1b所示，这类结构是把磁钢镶嵌在转

18、子磁极中间，磁钢与磁极固定在隔磁衬套上。磁极由导磁性能良好的铁磁材料(如软铁等)制成，衬套由非磁性材料制成(如铝、工程塑料等)，用以隔断磁极、磁钢与转子的磁通路，减小漏磁。从图2-5-1b可以看出，它的结构是一对磁极的两块磁极并联，由两块磁钢向每个气隙提供磁通，这样电机的气隙磁密B高，制造出的电机体积小。切向磁场型式的转子整体结构比较复杂，除机械加工量比较大外，它的拼装必须用专用设备，尤其将磁钢镶嵌到磁极中间要有专用工具。转子拼装好后，在转子端部将磁钢固紧，以免造成转子(对定子)的扫膛现象，甚至卡死，电机烧坏现象。综上所述，本文所设计的直流无刷电机适合选用磁钢径向磁场结构。所以，本设计磁钢选择

19、铁氧体材料、磁钢径向冲磁结构，磁钢厚度取Hm=0.2cm，气隙长度取为。 (3) 简单磁路的计算直流无刷电机的磁路，一般由永久磁钢、导磁体和气隙三部分组成。其中导磁体磁阻很小，可以忽略不计。这样，磁路仅由磁钢和气隙两部分组成，它近似于具有空气隙的一个圆环形永久磁钢的简单磁路，如图2-5-2所示。图2-5-2 具有固定气隙的环形永久磁钢假设环形永久磁钢之间的漏磁通为零，即忽略环形磁钢本身的漏磁通，并设环形磁钢的截面积处处相等，均为SM，平均长度为LM。因此可认为磁钢内部的磁感应强度在任一截面处都是均匀分布的，而沿全长LM磁钢内部的磁场强度分布也是均等的。当磁路中的气隙长度为时，按磁路的基尔霍夫第

20、二定律，可得 (6)式中环形永久磁钢的平均长度（m）；气隙长度（m）；环形永久磁钢内部的磁场强度（A/m）；气隙中的磁场强度（A/m）。根据上述分析预取和计算的已知条件，参考有关资料所给的经验值和计算公式，对磁路中相关参数计算如下：1) 漏磁系数；2）气隙磁通；3）空载电枢齿磁密；（齿宽，电枢冲片叠片系数，t齿距）4）空载电枢轭磁密；（电枢轭高）5）空载转子轭磁密；（转子磁轭等效宽度）6）气隙磁势；（气隙系数）7）定子齿磁势；(槽高)8）定子轭部磁势；（电枢铁心轭部沿磁路计算长度）9）转子轭部磁势；（转子轭部沿磁路方向长度）10）总磁势；11）总磁通2.6 定子绕组计算 (1) 定子结构的设计

21、设计直流无刷电机时，在保证足够的机械强度及磁通密度允许的情况下，应尽量减少齿宽和轭厚，以扩大槽面积，增大定子绕组导线面积，降低铜耗，提高发电机的效率。同时，为了使电机能够快速起动，需要采用合适的极槽配合，使得 (7)式中:Zs为定子槽数；p为发电机极对数；A为整数，C/D为不可约分的分数。理论和实践证明，D越大，电机的起动阻转矩越小。对于一极数一定的直流无刷电机，它的起动阻转矩随着槽数的变化而变化，如图2-6-1所示。为此，在实际设计中，应选择合适的极槽配合，以使起动阻转矩满足要求。图2-6-1阻转矩和槽数的关系在上文的分析中，我们选择转子为2对极磁钢，为了使得直流无刷电机的起动阻力矩满足要求

22、，我们选择12槽定子来满足极槽配合的要求。 (2) 定子绕组形式在直流无刷电动机内，绕组可分为单层绕组和双层绕组。每个槽内放置一个线圈边时，称为单层绕组；每个槽内放置两个线圈边，且分为上、下层时，称为双层绕组。双层绕组一般都采用短距绕组，其节距y在0.8左右，以使其5次和7次谐波的影响同时削减到比较小，这样既改善了电动机的电磁性能，又可节省材料（因为绕组的端部接线缩短了）。单层绕组，每相每极仅一个线圈，而双层绕组，每相每极仅两个线圈时称为集中绕组。单层绕组每相每极有两个或更多个线圈、双层绕组每相每极有两个以上线圈时，称为分布绕组。电动机的定子（或转子），其圆周等于360°，这种用机械

23、关系计量的空间角度叫做机械角。但是在电工技术中，经常用到电角度（简称电角）的概念。每对磁极占定子圆周的空间的机械角为360°/（极对数），但其电角度为360°。且每经过一对磁极，就相应转过360°电角度。显然电角度是与磁极数有关，它与机械角度的关系（图2-5-1）为 电角度=极对数×机械角度                  图2-6-2 电动机机械角与电角的关系a）4极电机磁

24、场示意图   b）转子导体1的感应电动势波形 归纳起来，直流无刷电动机对绕组有下列基本要求：1）绕组导体沿定子圆周排列，通电后产生的磁场，应形成与转子磁场相同的极对数，这是最基本的要求。否则，它将无法运行； 2）节约用铜。在用铜量一定时，产生的感应电势或电动势最大； 3）绕组的结构应尽力使工艺简单，制作维修方便； 4）绝缘可靠，散热条件好。根据以上分析，本设计中直流无刷电机定子绕组采用双层绕组形式。对双层绕组而言，电动机定子有多少个槽，就会有多少个线圈，即线圈数等于槽数。双层绕组特点之一是一般都用短距绕组。一般说来，节距缩短

25、一或两个槽时，对于各个线圈的安放，不会发生什么妨碍。而短距绕组的明显好处是缩短了端接线，节省了铜线，而所产生的基波感应电势削弱得并不多。相反，采用短距绕组以后，对感应电势的谐波可以削弱很多，这对改善感应电势的波形是有利的。为了定量分析上述优点，下面通过计算短距绕组的基波感应电势和谐波感应电势来加以说明。图2-6-3 短距绕组图2-6-3画出了一个短距绕组，它由导体和导体组成，线圈的节距y1小于极距，其节距比为。 采用短距绕组后，该绕组所产生的感应电势比全距绕组的应有所减少，那么如何来精确地计算其数值呢？为此，先看其中一匝所产生的感应电势。在分析感应电势之前，首先规定好导体与绕组感应电

26、势的正方向。导体感应电势以顺时针方向作为感应电势的正方向，并规定绕组的中心线处在磁极之间时作为时间的起点。 导体的基波感应电势  (8)导体的基波感应电势  (9)绕组的基波感应电势  (10)绕组为整距时，绕组基波感应电势应为，所以短距绕组的基波感应电势  (11)式中kpl基波短距因数，。 短距因数也是一个小于1的数。这是由于当绕组采用短距后，线圈里的两根导体所产生的基波感应电势的相角不是相差180°。所以，线圈的基波感应电势不是导体基波感应电势的两倍，而是相当于整距绕组的基波感应电势乘上小于1的因数。所以，采用短距绕组后，一方面可使端接部分缩短，节省了铜，另一方面还能改善感应电势的波形，这是双层短距绕组的显著优点。双层绕组一般存在两种绕组型式，即叠绕组和波绕组。图2-6-4表示了两种绕组的绕组型式，其中，图a为叠绕，图b为波绕。叠绕组的联接特点是，把一个极下同一相的几个线圈依次串联起来成为一个极相组。由于串联元件是后一个叠在前一个上面，故叫做叠绕组。图2-6-4双层绕组的两种绕组型式 a)叠绕 b)波绕&#