1、電機與拖動基礎課程設計報告設計題目：學 號：指導教師： 信息與電氣工程學院二零一六年七月2哈爾濱工業(yè)大學（威海）課程設計報告直流無刷電機本體設計1. 設計任務(1) 額定功率(2) 額定電壓(3) 電動機運行時額定轉速(4) 發(fā)電機運行時空載轉速(5) 最大允許過載倍數(6) 耐沖擊能力(7) 機殼外徑設計內容：1. 根據給定的技術指標，計算電機基本尺寸，包括：定子鐵心外徑、定子鐵心內徑、鐵心長度等。2. 磁路計算，包括極對選擇、磁鋼選型、磁鋼厚度、氣隙長度等方面計算。3. 定子繞組計算，包括定子繞組形式、定子槽數、繞組節(jié)距等計算。2. 理論與計算過程2.1 直流無刷電機的基本組成環(huán)節(jié)直流無刷

2、電動機的結構原理如圖2-1-1所示。它主要由電機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。電機本體在結構上與永磁同步電動機相似，但沒有籠型繞組和其他起動裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉子由永久磁鋼按一定極對數（2p=2,4,）組成。圖中的電機本體為三相電機。三相定子繞組分別與電子開關線路中相應的功率開關器件連接，位置傳感器的跟蹤轉子與電動機轉軸相連接。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生的磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各相繞組按一定次序導通，定子相電流隨轉子位置的變化而

3、按一定的次序換相。由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。因此，所謂直流無刷電機，就其基本結構而言，可以認為是一臺由電子開關線路、永磁式同步電機以及位置傳感器三者組成的“電動機系統(tǒng)”。其原理框圖如圖2-1-2所示。圖2-1-1 直流電動機的工作原理圖 直流電源電動機位置傳感器開關電路圖2-1-2 直流無刷電機的原理框圖電機轉子的永久磁鋼與永磁有刷電機中所使用的永久磁鋼的作用相似，均是在電機的氣隙中建立足夠的磁場，其不同之處在于直流無刷電機中永久磁鋼裝在轉子上，而直流有刷電機的磁鋼裝在定子上，圖2-1-3示出了典型直流無刷電機本體基本結構圖。圖2-1-3 直

4、流無刷電機基本結構圖直流無刷電機電子開關線路是用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏輯開關單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯開關單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給直流無刷電機定子上各相繞組，以便使電機產生持續(xù)不斷的轉矩。而各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。但位置傳感器所產生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關單元，往往需要經過一定邏輯處理后才能去控制邏輯開關單元，綜上所述，組成直流無刷電機各主要部件的框圖，如圖2-1-4所示。圖2-1-4 直流無刷電機的組成框圖2.2 直流無刷電機的基本工作原理眾所周知，一

5、般的永磁式直流電機的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電機氣隙中產生磁場。其電樞繞組通電后產生反應磁場。由于電刷的換向作用，使得這兩個磁場的方向在直流電機運行的過程中始終保持相互垂直，從而產生最大轉矩而驅動電動機不停地運轉。直流無刷電機為了實現無電刷換相，首先要求把一般直流電機的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電機的結構剛好相反。但僅這樣做還是不行的，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產生固定磁場，它不能與運動中轉子磁鋼所產生的永磁磁場相互作用，以產生單一方向的轉矩來驅動轉子轉動。所以，直流無刷電動機除了由定子和轉子組成電機本體以外，還要由位置傳感器、控制電

6、路以及功率邏輯開關共同構成的換相裝置，使得直流無刷電機在運行過程中定子繞組所產生的的磁場和轉動中的轉子磁鋼產生的永磁磁場，在空間始終保持在（/2）rad左右的電角度。下面以圖2-1-1所示電路對直流無刷電機工作過程作簡要說明。設三相橋式逆變器采用“120°導通型”通斷規(guī)律。即：每隔1/ 6周期（60°電角度）換相一次，每次換相一個功率管，每一功率管導通120°電角度。各功率管的導通順序是V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1、。當功率管V1和V2導通時，電流從V1管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經V2管回到電源。如果認定流入繞組的電流所產生的

7、轉矩為正，那么從繞組流出所產生的轉矩則為負，它們合成的轉矩如圖2-2-1（a）所示，其大小為Ta，方向在Ta和Tc的角平分線上。當電機轉過60°后，由V1V2通電換成V2V3通電。這時，電流從V3流入B相繞組再從C相繞組流出，經V2回到電源，此時合成的轉矩如圖2-2-1（b）所示，其大小同樣為Ta。但合成轉矩Tbc的方向轉過了60°電角度，而后每次換相一個功率管，合成轉矩矢量方向就隨著轉過60°電角度，但大小始終保持Ta不變。圖2-2-1（c）示出了全部合成轉矩的方向。圖2-2-1 定子繞組在空間合成轉矩矢量圖（a）V1、V2導通時合成轉矩；（b）V2、V3導通時

8、合成轉矩；（c）兩兩通電時合成轉矩矢量圖所以，同樣一臺直流無刷電機，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時，采用三相星形（Y）聯結全控電路，在兩兩換相的情況下，其合成轉矩增加了倍。每隔60°電角度換向一次，每個功率管通電120°，每個繞組通電240°，其中正相通電和反相通電各120°，其輸出轉矩波形如圖2-2-2所示。由圖2-2-2可以看出，三相全控時的轉矩波動比三相半控時小得多。圖2-2-2 全控橋輸出波形圖如將三只霍爾傳感器按相位差120°安裝，則它們所產生的波形如圖2-2-3所示。圖2-2-3 各相繞組的導通示意圖 2.3 直流無刷電機設

9、計的基本步驟（1）根據給定的技術指標，計算電機基本尺寸，包括：定子鐵心外徑、定子鐵心內徑、鐵心長度等。（2）磁路計算，包括極對選擇、磁鋼選型、磁鋼厚度、氣隙長度等方面計算。（3）定子繞組計算，包括定子繞組形式、定子槽數、繞組節(jié)距等計算。在設計時既要保證電動機運行可靠、性能優(yōu)良、效率高和壽命長，又要體積小、重量輕、材料省、加工方便，很多因素是相互矛盾和相互制約的。對設計的要求是 全面考慮，統(tǒng)籌兼顧，全面落實技術經濟指標。2.4 主要尺寸的選擇(1) 定子鐵心內徑的選擇直流無刷電機的轉子外徑Da（由于直流無刷電機氣隙一般很小，為簡化問題，就認為轉子外徑等于定子內徑）一般隨單位轉速的輸出功率P值增加

10、而增大，當電機的單位轉速輸出功率P相同時，其Da大致一樣。決定Da時，可根據給定的P值并結合工廠的生產條件，參考已制成的類似電機的Da值而選定。我國目前制造的直流電機，其Da與輸出功率P的關系曲線如圖2-4-1所示，它可以作為選定Da的初步依據。圖2-4-1 定子內徑Da與單位轉速輸出功率PN/nN的關系根據已知條件計算得 (1)從圖2-4-1的曲線對比，取Da=3.4cm=34mm。(2) 電磁負荷的選擇 (2) 式中Da定子鐵心內徑（cm）；La定子鐵心長度（cm）；kD考慮電機內部壓降等因素影響的小于1的系數；PN額定功率（W）；B磁負荷(T)；A電負荷（A/cm）；極弧系數；電機效率；

11、n電機額定轉速（r/min）。由式（2）可知，電負荷A與磁負荷B的選擇與電動機的主要尺寸直接相關。同時，A、B的數值與電動機的運行性能和使用壽命也有密切關系，因此必須全面考慮各方面因素，才能正確選擇A、B的數值。一般來說，選用較高的磁負荷B可以節(jié)約有效材料、縮小電機體積。但是B過高會產生以下一些不利影響：1）將增加轉子和定子鐵心飽和程度，特別是定子齒中的飽和更為強烈，于是空氣隙及電動機定子磁路所需的磁感應強度增高，勢必要求高性能的磁鋼和導磁材料，其價格隨之上升。2）因為單位體積的鐵耗近似地與鐵內磁感應強度的平方成正比，所以B的增大將使電機的鐵耗增加，導致電機的效率降低，同時也使電機的溫升增高。

12、同樣，選用較高的電負荷A也可以節(jié)約有效材料、縮小電機體積。但是A過高會產生以下一些不利影響：1）定子繞組的去磁作用的影響比較顯著，導致工作特性變差。2）在定子繞組電流密度不變的條件下，這將增加定子槽內導線，從而增加了定子繞組的用銅量、銅耗和溫升。電機的電負荷A和磁負荷B與定子內徑Da有關，根據已生產電機的經驗數據可以繪制成曲線，作為設計時參考。圖2-4-2和圖2-4-3分別表示B級絕緣直流電機的A、B的經驗值和Da的關系。由Da=3.4cm，根據圖2-4-2和圖2-4-3預取A=130A/cm，B=0.6T。圖2-4-2 電負荷A與定子內徑Da的關系圖2-4-3 磁負荷B與定子內徑Da的關系(

13、3) 定子鐵心長度L的確定從式（2），可以得到轉子磁鋼計算長度La的表達式為 (3)圖2-4-4 計算極弧系數與轉子外徑Da的關系由Da=3.4cm，根據圖2-4-4，參考以往經驗值，預取=0.9。預取系數，效率，根據式（3）計算得La=6.8cm。所以，鐵心長度L=La=6.8cm。(4) 轉子長度與直徑的比值從式（2）可以看出，在同樣給定條件和選定的A、B和數值下，是一定的。因此，如果把Da選得大一些，La必定小一些，電機就比較粗短；反之，如果把Da選得小一些，La 必定大一些，電機就比較細長。電機的這個幾個形狀關系可用電動機計算長度與定子內徑的比值來表示： (4)由Da=3.4cm，La

14、=6.8cm，代入式（4）計算得。(5) 定子鐵心外徑的選擇表1 直流電機的標準定子外徑 (mm)78.310.210.61213.816.219.521.024.529.432.736.842.349.356.065.085.099.0120150180215285315350380由定子鐵心內徑Da=3.4cm=34mm，技術要求機殼外徑，根據表1可以選擇定子鐵心外徑D1=36.8mm=3.68cm。2.5 磁路計算 (1) 極數的選擇我們已知，在轉子外徑、長度和氣隙磁感應強度確定后，沿定子圓周的總磁通為一定值。增加極對數p，可減少每級磁通，定子軛及機座的截面積可相應減少，從而減少電機的用

15、鐵量；定子繞組的端接部分將隨極數增加（即極距減小）而縮短，在同樣的電流密度下，繞組用銅量也將減少；磁極增多后，定子繞組電感相應減少，這將有利于電子器件換相。總的來說，增加極數可以節(jié)約原材料和縮小電機外形。同時，當增加極數后制造工時也相應地增加了；隨著極對數的增加，考慮到極漏磁不能太大，極弧系數要減小，從而使電機原材料的利用率變差；增加極對數后，在同樣轉速下，電子器件的換相次數增加，從而增加了電子器件的換相損耗。在同樣轉速下，定子繞組的交變頻率將隨極數的增加而增加，因而齒的鐵損耗隨極數的增加而增大，而定子軛的鐵損耗則增加很少，因為鐵軛的重量反比于極數而下降；當電流密度不變時，定子繞組中銅耗隨極數

16、的增加而降低。一般說，電機效率隨極數的增加而有所下降。目前，直流無刷電機的容量比較小，極距。若取極對數p=2，則 (5)所以極對數p=2，極數為4，滿足設計要求。 (2) 磁鋼的選擇1) 磁鋼材料的選擇永磁材料的種類多種多樣，性能相差很大，因此在設計永磁電機時首先要選擇好適宜的永磁材料品種和具體的性能指標。歸納起來，選擇的原則為： 應能保證電機氣隙中有足夠大的氣隙磁場和規(guī)定的電機性能指標。 在規(guī)定的環(huán)境條件、工作溫度和使用條件下應能保證磁性能的穩(wěn)定性。 有良好的機械性能，以方便加工和裝配。 經濟性要好，價格適宜。目前在直流無刷電機中常用的永磁材料有鋁鎳鈷合金、鐵氧體和釹鐵硼等。在滿足性能指標的

17、前提下，考慮到其經濟性，百瓦級的小型直流無刷電機轉子磁鋼選用鐵氧體。2） 磁鋼結構的選擇小型直流無刷電機按工作主磁場方向不同，主要有徑向磁場型式和切向磁場型式兩種，如圖2-5-1所示。圖2-5-1 轉子磁路結構1) 徑向磁場型式采用徑向磁場結構的小型直流無刷電機的運行速度一般比較低，可直接將勵磁磁鋼粘結在轉子磁轆上。為了減輕轉子的整體重量，可以在轉子磁扼上開減輕孔，如圖2-5-1a所示。從圖2-5-1a的主磁路可以看出，徑向磁場型式是一對極的兩塊磁鋼串聯。僅有一個磁鋼截面積對每一個氣隙提供磁通，而由兩個磁鋼長度對發(fā)電機提供磁勢。2) 切向磁場型式如圖2- 5-1b所示，這類結構是把磁鋼鑲嵌在轉

18、子磁極中間，磁鋼與磁極固定在隔磁襯套上。磁極由導磁性能良好的鐵磁材料(如軟鐵等)制成，襯套由非磁性材料制成(如鋁、工程塑料等)，用以隔斷磁極、磁鋼與轉子的磁通路，減小漏磁。從圖2-5-1b可以看出，它的結構是一對磁極的兩塊磁極并聯，由兩塊磁鋼向每個氣隙提供磁通，這樣電機的氣隙磁密B高，制造出的電機體積小。切向磁場型式的轉子整體結構比較復雜，除機械加工量比較大外，它的拼裝必須用專用設備，尤其將磁鋼鑲嵌到磁極中間要有專用工具。轉子拼裝好后，在轉子端部將磁鋼固緊，以免造成轉子(對定子)的掃膛現象，甚至卡死，電機燒壞現象。綜上所述，本文所設計的直流無刷電機適合選用磁鋼徑向磁場結構。所以，本設計磁鋼選擇

19、鐵氧體材料、磁鋼徑向沖磁結構，磁鋼厚度取Hm=0.2cm，氣隙長度取為。 (3) 簡單磁路的計算直流無刷電機的磁路，一般由永久磁鋼、導磁體和氣隙三部分組成。其中導磁體磁阻很小，可以忽略不計。這樣，磁路僅由磁鋼和氣隙兩部分組成，它近似于具有空氣隙的一個圓環(huán)形永久磁鋼的簡單磁路，如圖2-5-2所示。圖2-5-2 具有固定氣隙的環(huán)形永久磁鋼假設環(huán)形永久磁鋼之間的漏磁通為零，即忽略環(huán)形磁鋼本身的漏磁通，并設環(huán)形磁鋼的截面積處處相等，均為SM，平均長度為LM。因此可認為磁鋼內部的磁感應強度在任一截面處都是均勻分布的，而沿全長LM磁鋼內部的磁場強度分布也是均等的。當磁路中的氣隙長度為時，按磁路的基爾霍夫第

20、二定律，可得 (6)式中環(huán)形永久磁鋼的平均長度（m）；氣隙長度（m）；環(huán)形永久磁鋼內部的磁場強度（A/m）；氣隙中的磁場強度（A/m）。根據上述分析預取和計算的已知條件，參考有關資料所給的經驗值和計算公式，對磁路中相關參數計算如下：1) 漏磁系數；2）氣隙磁通；3）空載電樞齒磁密；（齒寬，電樞沖片疊片系數，t齒距）4）空載電樞軛磁密；（電樞軛高）5）空載轉子軛磁密；（轉子磁軛等效寬度）6）氣隙磁勢；（氣隙系數）7）定子齒磁勢；(槽高)8）定子軛部磁勢；（電樞鐵心軛部沿磁路計算長度）9）轉子軛部磁勢；（轉子軛部沿磁路方向長度）10）總磁勢；11）總磁通2.6 定子繞組計算 (1) 定子結構的設計

21、設計直流無刷電機時，在保證足夠的機械強度及磁通密度允許的情況下，應盡量減少齒寬和軛厚，以擴大槽面積，增大定子繞組導線面積，降低銅耗，提高發(fā)電機的效率。同時，為了使電機能夠快速起動，需要采用合適的極槽配合，使得 (7)式中:Zs為定子槽數；p為發(fā)電機極對數；A為整數，C/D為不可約分的分數。理論和實踐證明，D越大，電機的起動阻轉矩越小。對于一極數一定的直流無刷電機，它的起動阻轉矩隨著槽數的變化而變化，如圖2-6-1所示。為此，在實際設計中，應選擇合適的極槽配合，以使起動阻轉矩滿足要求。圖2-6-1阻轉矩和槽數的關系在上文的分析中，我們選擇轉子為2對極磁鋼，為了使得直流無刷電機的起動阻力矩滿足要求

22、，我們選擇12槽定子來滿足極槽配合的要求。 (2) 定子繞組形式在直流無刷電動機內，繞組可分為單層繞組和雙層繞組。每個槽內放置一個線圈邊時，稱為單層繞組；每個槽內放置兩個線圈邊，且分為上、下層時，稱為雙層繞組。雙層繞組一般都采用短距繞組，其節(jié)距y在0.8左右，以使其5次和7次諧波的影響同時削減到比較小，這樣既改善了電動機的電磁性能，又可節(jié)省材料（因為繞組的端部接線縮短了）。單層繞組，每相每極僅一個線圈，而雙層繞組，每相每極僅兩個線圈時稱為集中繞組。單層繞組每相每極有兩個或更多個線圈、雙層繞組每相每極有兩個以上線圈時，稱為分布繞組。電動機的定子（或轉子），其圓周等于360°，這種用機械

23、關系計量的空間角度叫做機械角。但是在電工技術中，經常用到電角度（簡稱電角）的概念。每對磁極占定子圓周的空間的機械角為360°/（極對數），但其電角度為360°。且每經過一對磁極，就相應轉過360°電角度。顯然電角度是與磁極數有關，它與機械角度的關系（圖2-5-1）為 電角度=極對數×機械角度                  圖2-6-2 電動機機械角與電角的關系a）4極電機磁

24、場示意圖   b）轉子導體1的感應電動勢波形 歸納起來，直流無刷電動機對繞組有下列基本要求：1）繞組導體沿定子圓周排列，通電后產生的磁場，應形成與轉子磁場相同的極對數，這是最基本的要求。否則，它將無法運行； 2）節(jié)約用銅。在用銅量一定時，產生的感應電勢或電動勢最大； 3）繞組的結構應盡力使工藝簡單，制作維修方便； 4）絕緣可靠，散熱條件好。根據以上分析，本設計中直流無刷電機定子繞組采用雙層繞組形式。對雙層繞組而言，電動機定子有多少個槽，就會有多少個線圈，即線圈數等于槽數。雙層繞組特點之一是一般都用短距繞組。一般說來，節(jié)距縮短

25、一或兩個槽時，對于各個線圈的安放，不會發(fā)生什么妨礙。而短距繞組的明顯好處是縮短了端接線，節(jié)省了銅線，而所產生的基波感應電勢削弱得并不多。相反，采用短距繞組以后，對感應電勢的諧波可以削弱很多，這對改善感應電勢的波形是有利的。為了定量分析上述優(yōu)點，下面通過計算短距繞組的基波感應電勢和諧波感應電勢來加以說明。圖2-6-3 短距繞組圖2-6-3畫出了一個短距繞組，它由導體和導體組成，線圈的節(jié)距y1小于極距，其節(jié)距比為。 采用短距繞組后，該繞組所產生的感應電勢比全距繞組的應有所減少，那么如何來精確地計算其數值呢？為此，先看其中一匝所產生的感應電勢。在分析感應電勢之前，首先規(guī)定好導體與繞組感應電

26、勢的正方向。導體感應電勢以順時針方向作為感應電勢的正方向，并規(guī)定繞組的中心線處在磁極之間時作為時間的起點。 導體的基波感應電勢  (8)導體的基波感應電勢  (9)繞組的基波感應電勢  (10)繞組為整距時，繞組基波感應電勢應為，所以短距繞組的基波感應電勢  (11)式中kpl基波短距因數，。 短距因數也是一個小于1的數。這是由于當繞組采用短距后，線圈里的兩根導體所產生的基波感應電勢的相角不是相差180°。所以，線圈的基波感應電勢不是導體基波感應電勢的兩倍，而是相當于整距繞組的基波感應電勢乘上小于1的因數。所以，采用短距繞組后，一方面可使端接部分縮短，節(jié)省了銅，另一方面還能改善感應電勢的波形，這是雙層短距繞組的顯著優(yōu)點。雙層繞組一般存在兩種繞組型式，即疊繞組和波繞組。圖2-6-4表示了兩種繞組的繞組型式，其中，圖a為疊繞，圖b為波繞。疊繞組的聯接特點是，把一個極下同一相的幾個線圈依次串聯起來成為一個極相組。由于串聯元件是后一個疊在前一個上面，故叫做疊繞組。圖2-6-4雙層繞組的兩種繞組型式 a)疊繞 b)波繞&#