(完整word版)直流无刷电机本体设计要点.doc

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

直流无刷电机本体设计1.设计任务

(1)定功率P

N

80W

(2)定U

N

310V

(3)机运行定速n

N

1000r / min

(4) 机运行空速 n max 6000r / min

(5) 最大允倍数

2.5

(6)耐冲能力 a m 1500 m / s2

(7)机壳外径

D 42mm

内容：

1.根据定的技指，算机基本尺寸，包括：定子心外径、定子心内径、心

度等。

2.磁路算，包括极、磁型、磁厚度、气隙度等方面算。

3.定子算，包括定子形式、定子槽数、距等算。

2.理论与计算过程

2.1 直流无刷电机的基本组成环节

直流无刷机的构原理如 2-1-1 所示。它主要由机本体、位置感器和子开关路三部分成。机本体在构上与永磁同步机相似，但没有型和其他起装置。其定子一般制成多相（三相、四相、五相不等），子由永久磁按一定极数（2p=2,4, ⋯⋯）成。中的机本体三相机。三相定子分与子开关路中相的功率开关器件接，位置感器的跟踪子与机相接。

当定子的某一相通，流与子永久磁的磁极所生的磁相互作用而生矩，

子旋，再由位置感器将子磁位置成信号，去控制子开关路，从而使定子各相

按一定次序通，定子相流随子位置的化而按一定的次序相。由于子开关路的通次序是与子角同步的，因而起到了机械向器的向作用。

因此，所直流无刷机，就其基本构而言，可以是一台由子开关路、永磁式同步机以及位置感器三者成的“ 机系”。其原理框如

2-1-2 所示。

图 2-1-1直流电动机的工作原理图

直流电源开关电路电动机

位置传感器

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 直流无刷电机基本结构图

直流无刷机子开关路是用来控制机定子上各相通的序

和，主要由功率开关元和位置感器信号理元两个部分成。功率开关元是控制路的核心，其功能是将源的功率以一定关系分配直流无刷机定子上各相，以便

使机生持不断的矩。而各相通的序和主要取决于来自位置感器的信号。但位置感器所生的信号一般不能直接用来控制功率开关元，往往需要一定理后才

能去控制开关元，上所述，成直流无刷机各主要部件的框，如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，一般的永磁式直流机的定子由永久磁成，其主要的作用是在机气

隙中生磁。其枢通后生反磁。由于刷的向作用，使得两个磁的方向在直流机运行的程中始保持相互垂直，从而生最大矩而机不停地运。直流无刷机了

无刷相，首先要求把一般直流机的枢放在定子上，把永磁磁放在子上，与直流永磁机的构好相反。但做是不行的，因用一般直流源定子上各供，只能

生固定磁，它不能与运中子磁所生的永磁磁相互作用，以生一方向的矩来

子。所以，直流无刷机除了由定子和子成机本体以外，要由位置感器、控制路以及功率开关共同构成的相装置，使得直流无刷机在运行程中定子所生的的磁

和中的子磁生的永磁磁，在空始保持在（π/2） rad 左右的角度。

下面以 2-1-1 所示路直流无刷机工作程作要明。

三相式逆器采用“120° 通型”通断律。即：每隔1/ 6 周期（ 60°角度）相一次，每次相一个功率管，每一功率管通 120° 角度。各功率管的通序是V1V2 、V2V3 、V3V4 、V4V5 、V5V6 、V6V1 、⋯。当功率管 V1 和 V2 通，流从 V1 管流入 A 相，再从 C 相流出， V2 管回到源。如果定流入的流所生的矩正，那么从流出所生的

矩，它合成的矩如 2-2-1（a）所示，其大小3

Ta，方向在 Ta 和－ Tc 的角平分

上。当机 60°后，由 V1V2 通成 V2V3 通。

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3

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3

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 3

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。