无刷直流电动机的设计-16.pdf

┉┉!专题讲座"#$%&"’()*"#+,-$’*+# 2006年第4期┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 无刷直流电动机的设计（""""""""""""""""""""""""""）42 无刷直流电动机的设计（）叶金虎（中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233）The Design of Brushless DC Motor （）YE Jin -hu （No.21Research Institute under CETC ，Shanghai 200233，China ） 中图分类号：TM381 文献标识码：A 文章编号：1004-7018（2006）04-0042-018.2.4永磁体的稳定方法由永磁体本身的特性可知，永磁体的去磁曲线仅表明当外部的去磁磁场强度单方向从零变化到H c 值时，永磁体内部磁场强度H m 和磁通密度B m 之间的关系。

一旦在去磁曲线上某一点去掉外部的强迫去磁磁场强度后，永磁体内部的磁状态就不会沿着去磁曲线向上移动，而只能沿回复直线向上移动。

一台新装配好的永磁电动机，充磁以后的原始磁状态处在图39中的A 点上。

在电动机运行时，转图39 去磁磁场变化时的磁铁工作图子永磁体将会受到电枢反应磁场的去磁作用，使电动机的磁状态发生变化，永磁体的工作点将随着电枢反应的增磁或去磁作用在某一回复直线K 1A 1上移动。

如果电动机在另一次运行时，经受了比上次大的去磁作用，这时永磁体的工作点将在另一条回复直线K 2A 2上移动。

由此可见，电动机的运行特性将会随着负载的变化而变化，表现为性能不稳定，这是我们所不希望的。

为此，在电动机正式投入运行以前，必须让电动机经受它在按照技术条件运行的整个过程中，可能遇到的最大去磁作用，从而保证它的运行性能不会再随着负载的变化而变化。

我们把所采取的这种措施称为“稳定”，通常采用的方法有下面几种：（1）空气稳定 永磁体转子在装入定子以前，图40 空气稳定时的磁铁工作图预先给以充磁，并使永磁体达到饱和状态。

然后，不要给充好磁的转子永磁体加保护性的磁短路环，而让其自由地处于空气中。

这时，永磁体本身的磁状态（Φ0，AW 0）由直线OC 与去磁曲线的交点C 来决定，如图40所示。

直线OC是永磁体转子自由地处于空气中时，其永磁体的外磁路的等效磁导线。

有时亦称它为自由状态时的漏磁导线。

C 点是回复直线的起始点。

我们把这种稳磁方法叫做空气稳定，或者称之谓自由状态的稳定。

在设计采用空气稳定的电动机时，当磁路系统的尺寸决定之后，必须求出转子永磁体在空气中的等效磁导∧c ，从而决定回复直线的起始点。

用这种方法稳定的电动机，制造和维修方便，但永磁体利用差，电动机的重量较重和体积较大。

（2）起动稳定 永磁体转子在装入定子以后得图41 起动稳定时的磁铁工作图进行充磁，并使永磁体达到饱和状态，此时永磁体的磁状态由图41中的A 点来确定。

然后，电动机在额定工作电压和额定负载条件下起动，永磁体的工作点将沿去磁曲线下降到K 点。

随着起动过程的结束，电动机将在额定状态下运行，永磁体的工作点移到负载工作点H ，其磁状态由H 点确定。

在设计采用起动稳定的永磁电动机时，当主要尺寸确定之后，必须选定磁路系统和电路系统，对应某一电枢绕组和电子换向线路，就可以计算出起动电流I st 和起动时电枢反应直轴去磁磁势AW adK 的数值，从而决定回复直线起始点K 的位置，以及负载工作点H 和空载工作点P 的位置。

据此可校验所选磁路和电路是否合适，并在此基础上进行适当调整，以便尽量使永磁体能工作在最佳工作点上。

（3）突然反转稳定 当技术指标中对电动机有正反转要求时，永磁体的稳定要采用突然反转的方法。

对于无刷直流电动机，由于电路系统中电子换向线路导通顺序的不同，它在突然反转时情况较为复杂。

现在以星形三相电枢绕组与非桥式电子换向线路的组合为例进行分析。

电动机正向旋转时（顺时针方向），定子绕组导通顺序为U #V #W ；反向旋转时（逆时针方向），定子绕组导通顺序为U #W #V 。

（下转第46页）┉┉!读者园地"#$"%&’()"┉┉┉┉┉┉┉┉46起来的四块高度定位块所起到的高度定位的作用很差，而且也很难保证整个齿轮箱的平整度要求，使齿轮组运转过程中的传动效率比较低；再加上早期电机的结构过于简单，转子部分是由一根固定在机壳底部的轮轴穿过注塑磁钢支持，这种结构的主要缺点在于注塑磁钢中的塑料（或尼龙）与轮轴的滑动磨擦力较大，而转子的运转速度相对较高，其受阻力较大导致最终输出力矩损失相当大。

随着新的内置夹板式齿轮箱的紧凑式同步电机的研究和开发成功，很大程度改善了力矩、温升等方面的问题。

2紧凑式同步电机的设计原则2.1采用高性能稀土磁钢（钕铁硼）作为转子材料因为铁氧体材料的剩磁感应强度不高，环境温度对磁性能影响较大，且其质地较硬而脆，不易加工。

相比较而言，钕铁硼材料剩磁感应强度较高，环境温度对磁性能影响较小，而且粘结钕铁硼有可加工性好、尺寸精度高的特点。

紧凑式同步电机的转子磁钢采用钕铁硼，有效地解决了在大力矩短时运转电机中由于温度较高使转子磁钢退磁后导致电机输出力矩骤然减少的现象，使电机在长时间有效使用的条件下，输出力矩基本保证在一个稳定的范围内。

2.2在不影响电机性能的情况下尽量缩短轴向长度 在机壳外设置一个环形的凹槽（即第一环形凹槽），在转子长度不变的前提下，电机的轴向尺寸内减少了一个环形凹槽的长度。

如图1所示。

在第一环形凹槽外还设有第二环形凹槽，可进一步缩短图1轴向长度。

由于电机的齿轮减速机构采用迭齿轮结构，可充分利用电机转子轴齿的有效部分，使电机的转子轴齿非工作部分正好与第一级传动机构的输出齿轮相对，不单独占用轴向空间，所以起到了缩短电机轴向长度的作用。

3内置夹板式齿轮箱的设计原则压板式齿轮箱是后端板翻折竖起四个支脚，由于四个支脚是冲压出来的，很难保证四个支脚控制的高度保证在同一个平面上，从而导致了各齿轮轴的不平行，其间的齿轮组在啮合运转的过程中容易卡死，引起电机运行的故障等问题，如图2所示。

图2夹板式齿轮箱是通过在后端板上设置三根与齿轮互不干扰的立柱，并通过磨削加工六根精度较高的套在立柱上的定位套筒，且六根套筒安装起来后的总高度要高于立柱的高度。

通过六根套筒来控制整个齿轮箱的高度，用专为磨削定位套筒设计的工装夹具可以大批量的生产出一致性很高的套筒，六根套筒的公差在0.02范围内，能有效地控制起三块端板迭加起来后的平行度问题，齿轮组的啮合运转非常顺畅。

如图3所示。

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（上接第42页）假定正向旋转的电动机在U 相绕组图42 突然反转时的定转子磁场关系通电时突然反转，图42中AW a U 为此时U 相绕组的电枢磁势，而转子磁场Φm有可能处在状态角αz 范围之内（即图中Ⅰ和Ⅱ之间）的任意位置上。

现就两种情况分别研究电动机突然反转时，其电枢磁场对转子磁场的影响。

①转子磁场处在［Ⅰ，0］区间内此时，反转指令信号将使电子开关切断U 相绕组，同时接通V 相绕组，转子受到反向转矩而反转。

这时的电枢磁势如图中AW a V 所示，其直轴分量AW adf 对转子磁场起去磁作用。

当转子处在边界位置Ⅰ时，电枢磁场与转子磁场正交，纯粹表示为交轴电枢反应。

当转子处在中间位置0时，电枢反应的直轴去磁分量达到最大值，其数值为：AW adf =（U-$U ）+E m cos （αz /2[]）r φw φk w sin αz2（50）②转子磁场处在［0，Ⅱ］区间内此时，反转指令信号将使电子开关切断U 相绕组，而接通W 相绕组，转子受到反向转矩而反转。

这时电枢磁势如图中AW a W 所示，其直轴分量对转子磁场起增磁作用。

当转子处在边界位置Ⅱ时，电枢磁场与转子磁场正交，纯粹表现为交轴电枢反应。

当转子处在中间位置0时，电枢反应的直轴增磁分量达到最大值，其数值上和上述直轴去磁分量最大值相等。

在采用突然反转稳定时，对于已确定的磁路和电路，可以计算出突然反转时电枢反应直轴去磁分量的最大值AW adf ，从而决定回复直线的起始点。

综上所述，采用不同的稳定方法，永磁体的工作点就不同，其利用程度也就不同；在电动机设计时，采用的计算方法也不同。

在无刷直流电动机中，为了充分利用永磁体，通常是装配后充磁，采用起动稳定或突然反转稳定的稳磁方法，但是采用这类方法后，电动机装拆和维修不太方便。

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