维普资讯 儆持电棚 2005年第1期 坳 无刷直流 电动机的设计 (I) 叶金虎 (中国电千 、弦 l丁公 十一讲充昕，上海 200233) TheDesignofBrushlessDCMotor(I) EJin—hf』 (No，21ResearchInstituteunderCETC，Shanghai200233，China) 编者按：随着永磁材料和功率 电子元器什的不断进步． 线圈：开关动作是借助若干个电刷和一个换向器的 永磁无刷直流电动机得到了快速的发展，它们破广泛地用于 机械结构来实现的，这种电枢线圈内电流方 向的变 变速驱动 、伺眼驱动 、兵器 、航空、航天和工业 j功化等各个 换被称之谓机械换 向。这样 ，在有刷直流电动机 的 领域：因此 ．合理正确地设计永磁无刷直流电动机是一个越 某一磁极下，虽然线圈导体在不断地更替，但只要外 来越重要的课题 从本期起分期介绍无刷直流电动机的设 加电压的极性不变，线 圈导体 中流过的电流方 向始 汁．主要有：无刷直流电动机的结构和工作原 ，以及连接方 终不变，作用在电枢上的电磁转矩的方向始终不变， 式；分数槽绕组；磁路计算；电路系统的计算等 内容；最后介 电动机的旋转方向也将保持不变，这就是有刷直流 绍了两个典型例题 电动机的机械换向过程的本质 中图分类号：TM33 文献标识码 ：A 文章编号 ：1004—7018(2005)01—0041—02 在无刷直流电动机中，定子线圈导体相对转子 永磁体磁场的位置 ，由转子位置传感器通过电子方 1永磁无刷直流 电动机的工作原理 式或电磁方式所感知；并利用其输出信号，通过电子 在永磁有刷直流电动机中，定子永磁体在气隙 换向电路 ，按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组 内形成激磁磁场。根据物理学定理 ，在此情况下 ，如 相联接的相应的功率开关 晶体管 ，把 电流开关或换 果迫使电流在电枢绕组线圈的某一根导体中流动， 向到相应的电枢绕组。随着转子的转动 ，转子位置 就会产生一个作用于该导体的电磁力，其量值为： 传感器不断地发送出信号，致使电枢绕组不断地依 F =kBli f1) 次通电，不断地改变通电状态 ，从而使得在某一磁极 式中：F一力； 下的线圈导体中流过的电流方向始终不变，这就是 K一常数； 无刷直流电动机的无接触式换向过程的实质。 B一气隙磁通密度； 换 向是借助晶体管开关来实现的。把所有被联 ／_导体的长度； 结在机械换器上面的引线头抽出来，并给每一个引 导体内的电流。 线头提供开关 ，就可 以把一台有刷型电动机变换成 如果电枢绕组线圈的串联导体数 (每线圈多 一 台无刷型电动机；但是 ，这种方法必须包含大量的 匝)大于 1，并携带同样的电流，则电磁力的量值为： 开关：取而代之 ，采用类似于交流电动机 中的多相 F = BZⅣ f2) 绕组 在此设计 中，相作为轴的位置 的函数而被换 这里，^’为串联导体数 向 在电动机内，作用在导体上的电动力对转子中 2永磁无刷直流 电动机的结构 心轴线形成一个力矩 ，迫使转子围绕中心轴线旋转一 ：-r- 旋转电磁力矩的量值为 ： 首先，永磁无刷直流电动机可以制作成整体式 T = kRBliN (3) 或分装式两种类型。整体式电动机提供了包括轴 晏 式中：R为导线所处位置相对中心轴线的半径 承、转轴、壳体和固定装置等在 内的全套 电动机装 ： 在永磁有刷直流电动机 中，多个线圈组成电枢 置。另外，电动机制造公司能够根据用户的具体要 绕组=两个相邻线圈之间存在一定的角位移 一般 求，提供特殊的壳体。例如，可以把电动机的安装法 i 来说 ，某一线。电角度位置开始通 电，产生的 兰铸造成特殊的结构形状 ：整体式结构电动机除了 旋转电磁力矩从零开始 由小到大，再由大变小，当转 便于用户安装和维修外，还可以为用户节省劳动力、 过 180。电角度时，该线圈产生的旋转 电磁力矩又回 存储等费用。 到零：这时，该线圈内的电流被 自动地开关到另一 分装式结构为无壳体的或无框架的电动机。电一 维普资讯 触持电棚 2005年第1期 动机制造公司根据用户的具体要求，只提供电动机 的有关零部件：电动机的有关零部件全部由用户直 接把它们封装入最终产品内 这样，可以消除联轴 节和某些机械构件，避免引入不希望的机械谐振，以 便使最终产品具有结构紧凑 、系统的伺服频带更宽 和刚度更高等优点 永磁无刷直流电动机又可以制作成内转子式 、 外转子式和双定转子式等类型的结构，分别介绍如 卜： (1)内转子式结构 一 般而言，电动机 的定子在外而，转子在里面： 在传统的有刷直流电动机中，定子磁场在外面，转子 电枢在里面 无刷直流电动机出现后，使电枢从里 面走到外面，由转子变成了定子 这种结构称之谓 图4 —s型双定转子式结构 内转子结构： 的N极发出的径 向磁通，各 自通过 内外气隙，各 自 (2)外转子式结构 穿过环形电枢线圈，进入公共的定子磁轭 ，再各 自穿 在实际使用中，有时为了满足某些电子机械的 出背对背绕制的环形电枢线圈，各 自通过内外气隙， 特殊技术要求，把无刷直流电动机的定子电枢做在 各 自到达内外永磁体的s极，然后内外径向磁通经 里面，而把带永磁体的转子做在外面，我们把这种结 过内外转子磁轭 ，分别与内外起始永磁体的N极闭 构称之谓外转子结构 (或称之谓内定子结构) 合。在这种结构类型的电动机中，由于相对内部气 内转子结构和外转子结构分别示于图 1和图 隙表面的电枢电流和磁通方向和相对外部气隙表面 2：在无刷直流电动机的设汁中，外转子结构和内转 的电枢电流和磁通方向是相反的，所以由电枢线圈 子结构具有各 自的优缺点 这两种设汁之问的电动 内流过的电流和永磁体产生的磁通之间的相互作用 机特性的差异情况概括在表 1中 在内外气隙中所产生的内外电磁切向力的方向是一 致的 这意味着：电动机的总电磁力矩等内部电动 机的电磁力矩和外部 电动机的电磁力矩之和 因 此 ，这种具有双定转子 、径向磁通和环形电枢线圈结 构型式的永磁无刷直流 电动机 ，能够获得较高的力 矩密度和功率密度 ，在许多驱动系统 中，尤其在宇航 技术领域内，必将得到广泛的重视和应用： 图I 外转子结构 图2 内转予结构 在 N—s型结构 中，外部永磁体的N极发出的 表 I 内外转子结构 的电动fJl特性 比较 径向磁通 ，通过外部气隙，穿过电枢线圈，进入内部 电动机特性 外转子结构 内转子结构 气隙，到达内部永磁体 的s极，经过 内转子磁轭，到 转子惯量 较高 较低 达内部永磁体的N极；内部永磁体的N极发出的径 输出力矩／输II；功率 较I岛 较低 向磁通 ，通过内部气隙，穿过电枢线圈，进入外部气 零部件数 目 较多 较少 隙，到达外部永磁体的s极，再经过外转子磁轭，然 霍尔效应的位置 近似 精确 后与外起始永磁体的N极闭合。因此，在 N—s型 j (3)双定转子式结构 结构中，不需要定子磁轭，有时即使采用定子磁轭 ， 皇； 双定转子式结构实际上是住内部被相互套配的 也仅是为了增加电枢的机械强度。在 N—S型结构 电：两台电动机，它具有两个转子、两个定子和两个工作 中，电枢绕组不能采用背对背绕制的环形线圈，而应 气隙，外面的一台电动机是外转子式结构，里面的一 采用叠绕组或波绕组。 ：台电动机是内转子式结构。根据内外转子上永磁体 (未完待续) 的不同配置 ，又有 N—N型和 N—s型两种结构，分 为进一步提高本刊的编辑质量，请您对此文在读 别如 图3和4所示 者服务卡上圈上数字代码： ； 在 N—N型结构 中，电枢绕组为背对背绕制的 有价值，请圈27；没有价值 ．请圈28。 环形线圈，具有一个公共的定子磁轭。内外永磁体 维普资讯 专韪讲座 议持电棚 2005年第2期 ：_／ 娩 … … … … 一 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ’ 无刷直流电动机的设计(II) 叶金虎 (中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233) TheDesignofBrushlessDCMotor(II) YEJin一 “ fNo．21ResearchInstituteunderCETC，Shanghai200233，China) 中图分类号：TM381 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2005)02—0042—02 匝 跹 3电枢绕组的连接方式和电子换向 无刷直流电动机的电枢绕组与一般交流电动机 的定子绕组相类似，有星形连接绕组和封闭式连接 酲 一 绕组两类。电子换 向电路分成桥式 (双极性 Bipo— lar)和非桥式 (单极性 Unipolar)电路两种。不同连 接方式的电枢绕组与不同电子换向电路的组合是多 种多样的。 3．1电枢绕组的连接方式 珏 瑟婴 (1)星形连接绕组 星形连接绕组是把所有相绕组线圈的首端或尾 端连接在一起；与之相配合的电子换向电路可以是 桥式线路，也可以是非桥式线 绕组的连接方式 绕组与桥式线c和d为星形绕组与非 晶体管在某一瞬间导通或截止，迫使某些原来没有 桥式线路的组合。 电流的电枢绕组内开始流通电流，某些原来有电流 (2)封闭式连接绕组 的电枢绕组内开始关断电流或改变电流的流通方 封闭式连接绕组是由各相绕组线圈组成封闭的 向，从而迫使定子磁状态产生变化。我们把这种利 形式，即把第一相绕组线圈的尾端与第二相绕组线 用电子电路来实现电枢绕组内电流变化的物理过程 圈的首端相连接，再把第二相绕组线圈的尾端与第 称为电子换向或换流。每换流一次，定子磁状态就 三相绕组线圈的首端相连接，依次类推，直至最后一 改变一次，连续不断的换流，就会在工作气隙内产生 相绕组线圈的尾端又与第一相绕组线圈的首端相连 一 个跳跃式的旋转磁场。 接。图5e为三相封闭式连接绕组与桥式线路的组 电子换向或换流是无刷直流电动机的关键技术 合，图5f为四相封闭式连接绕组与桥式线路的组 之一，只有正确地进行换流，才能保证无刷直流电动 合。 机可靠地运行。下面以电磁式转子位置传感器为 (3)特殊连接的绕组 例，详细地分析无刷直流电动机几种典型的电枢绕 无 图5g和h为两种特殊的电枢绕组与电子换向 刷 电路组合的例子。 组的电子换向或换流过程。 直 3．2．1星形电枢绕组的电子换向过程 流 3．2电子换向 电 3．2．1．1三相星形非桥式连接的电子换向过程 动 换向又可以称为换流。在无刷直流电动机中， 机 图6是三相星形非桥式连接的电子换向电路的 的 来 自转子位置传感器的信号，经处理后按照一定的 设 逻辑程序，驱使某些与电枢绕组相连接的功率开关 原理图。图中左边是电磁式转子位置传感器的示意 计 一 图，它的固定部分由高频铁氧体磁心和六个线圈所 Ⅱ 组成。六个线圈中，三个线圈串联连接作为原边激 龌 磁线圈，另外三个线圈作为副边输出线圈 、 和 一 (b) 。 三个副边输出线圈 和 分别与 相、 维普资讯 (1／。专韪讲痤 触持电棚 2005第2 … l／ … 协 }日和 相 i个电枢绕组相对应 转子位置传感器 昕示．．图 a为第一磁状态． 为电枢绕组破馈 电 的旋转部分由高{顾铁氧体磁心(图中橡黑部分)和 后所产生的融势 显然，电枢磁场与永礁伴磁场的 非导磁体所组成的一个嘲环。并与l札动机的主转子 相互作用迫使电动机转子沿着顺时针方向旋转：当 同轴安装 转子转过120。电角度后，便进入第二磁状态，如图 7b所示，电动机转子继续沿着顺时针方向旋转；当 转子再转过 120。电角度后，便进入第三磁状态，如 图7c所示，电动机转子继续沿着顺时针方向旋转； 当转子再沿着顺时针方向转过 120。电角瞍后．电动 机促回复到起始状态：．这样周而复始，电动机便连 续不断地旋转。这里，我们把一个磁状态所持续的 电角度称为状态角 圈6 二 彤非桥式连接柏电子欹向电路 为了成功地实现尤刷直流电动机电椒绕组的换 在转子位置传感器的原边激磁线圈通以高期激 向相或换流，转子位置传感器旋转部分的痢形片的 磁电流(几百f赫兹)的情况下，当旋转部分的高频 张角必须满足由下式决定的条件： 铁氧体磁心(图中涂黑部分)扇形片使副边输出线 = ㈩ 圈-与原边激磁线圈耦合时，副边输出线圈 就 有输出信号；l 它两个副边输出线圈x和 没 式中：p一磁极对数； 有与嘹边激磁线圈相耦台，所 没有输出信号。利 ／／,／一绕组相数． 用副边输出线圈 的输出信号触发与 ￡相电枢绕 为了避免起动时出现死点，保证无剧直流电动 组相连接的功率开关晶体管BG．．并使之导通，从而 机的可靠运行，扇形片的张角 应稍大于 的数 电源给 ￡枢电枢绕组馈电 当转子位鬣传感器的 扇形片转过 】20电角度时，崩形片使副边输出线圈 x．与原边激磁线圈相耦合，副边输出线圈 就有输 ： 出信号：而其它脚个到边输出线 没有与 原边激磁线圈桕耦合，所以没有输出信号 用副边 输出线圈 的输出信号触发与 相电枢绕组相连 F, O 接的功率开关晶体管BG，并使之导通，从而电源给 1相电抠绕组馈电 这时，功率开关晶体管BG．由 ： 导通变成截止，功率开关晶体管BG 仍然保持状 () cI¨ 态 这里．我们把一个功率开关晶体管保持持续导 图7 永磁体6盏场币l1电枢磁场之问竹丰日J足系 通的电角度称为该功率开关晶体管的导通角j当转 图8是各相电枢绕组的导通示意图 一相导通 子位置传感器的扇形片再转过 12D。电角度时．痢形 星形三相三状态的电枢绕组导通顺序如表2所示 片使副边输m线圈 与原边激磁线圈相耦合．副边 输出线圈x 就有输出信号；而其它两个副边输出线 圈 ，和 没有 原边激磁线圈相耦台，所以没有 输出信号 利用副边输出线圈 的输出信号去触 发与 相电枢绕组相连接的功率开关晶体管BG． 固8 备相绕组的 通示意图 井使之导通，从而电源给w相电枢绕组馈电．这 表2 电枢绕组与功率}f关晶体管的导通顺序礁j￡}H 戈系 样．随着转子位霞传感器旋转部分的扇形片的转动． 时间(电角度) 0 l20。 240。 3f~3 电枢绕组便被一丰H一相地依次馈电．从而实现电枢 绕组各相之问的电子换向或换流。 在换向或换流过程中，作气隙内会形成跳跃 式的旋转磁场 ．这种旋转磁场在360。电角度范围内 {未完待续) 有三个磁状态．每十磁状态持续 120。电角度 所 绚避一步l拄裔本刊的瞎辑质蠹，请您对此丈柱读 以、我们称为 一 导通垦形三相三状态。在此情况 着暇舞卡上奠上弦牛代鹤 下，永磁体磁场和电枢磁场之间的相互关系如图7 有价值．请嬲嚣；挫旮 值，请曩3o 维普资讯 … ． 堕壁熏 …2…005蔓_3……………………………………： …一 无刷直流电动机的设计 (Ⅲ) 叶金虎 (中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233) TheDesignofBrushlessDCMotor(HI) YEJin一 u (No．21ResearchInstituteunderCETC，Shanghai200233，China) 中图分类号 ：TM381 文献标识码 ：A 第一步：当 0 时，BG3、BGl和 BG5导通，即 ! 文章编号 ：1004-7018(2005)03-0043-02 枞 源正端一 BG5一电源 3．2．1．2三相星形桥式连接的电子换相过程 图9是三相星 第二步：当t：60 时，BG。、BG 仍然导通，BG， tu 形桥式连接的电子 ． 截止，BG 开始导通，即有 ：电源正端一BG一一 一 换相 电路 的原理 V~BG 5 一电源负端； 图。下面分三种情 BG 况来进行分析： 图9 三相星形桥式连接的换相电路 第三步：当f：120]~，BG。、BG仍然导通，BG ； (a)二相导通的星形三相六状态 - - - G ~U 截止，BG 开始导通，即有：电源正端一BB j 二相导通的星形三相六状态的电子换相过程如 一 G， 一 下： - - - ~BG一电源负端； jI 第一步：当t=O：时，BG。、BG 导通，即有 ：电源 第四步：当f=180~+H~，BG2、BG 仍然导通，BG— 正端一BGl— 一 BG5一电源负端； 截止 ，BG 开始导通 ，即有：电源正端一BGz— 一 第二步：当t=600时，BG。、BG 导通，即有：电 源正端一BG。一 一 一BG一电源负端； 一电源 第三步：当t=120]时，BG2、BG 导通，即有：电 第五步：当f=240] ，BG2、BG4仍然导通，BG ! 源正端一BG2一 + 一BG6一电源负端； 第四步：当t=180]时，BG2、BG 导通，即有：电 截止，BG，开始导通，即有：电源正端一罢二≯ 源正端一BG2一 +—BG4一电源负端； - - - ,BG一电源负端； 第五步：当t=240~+时，管BG，、BG4导通，即有： 第六步：当f=300]~，BG，、BG 仍然导通，BG 电源正端一BG一 BG4一电源负端； 截止，BG 开始导通，即有：电源正端一BG，一 一 第六步：当t=300]时，BG3、BG5导通，即有：电 U．BG4 源正端一BG一 BG一电源负端； 一 电源负端； BG 当t=360]时，又重复t：0：时的状态。 f：36o：时，又重复f：0：时的状态。 在此情况下，电枢绕组的导通顺序与功率开关 ()二相三相轮流导通的星形三相十二状态 晶体管的导通顺序之间的关系如表3所示。 无刷直流电动机在二相三相轮流导通的星形三 表3 电枢绕组与功率管的导通顺序及其相互关系 o。 6O。 l2O。 l8O。 240。 30o。 360。 相十二状态运行时，其电枢绕组有时为二相导通，有 1． 导通顺序 w 时为三相导通，依次轮流进行，如图10所示。 刷 cJ BGt —— 睁，， I晕U 港 BG2 BG3 。 BG- 川 产 BG5 _ BG6 (b)三相导通的星形三相六状态 二相三相轮流导通的星形三相十二状态的电子 三相导通的星形三相六状态的电子换相过程如 换相过程如下： ： 下 ： 第一步：当f=0+。时BG、BG。和BG6导通，即ii 维普资讯 G 专题讲座 触持电棚 20o5#第3 ／^ I／ 孵 穆 …… … … … … … … … … … … …一 源负端； 有 正端 ．一 一电源 第八步：当c=2lO：时，BG!、BG 继续导通，BG2 第二步：当 30％时，BG、BG 继续导通，BG 截止，即有：电源正端一Bc一 一十一BG一电源负 截止，即有：电源正端一BG．一 ￡，一 一BG一电源负 端； 端； 第九步：当 240t时，BG，、BG继续导通．BG 第三步：当 『=60％时，BG、BG6继续导通，BG2 开始导通_孵 ：电源正端_坩G 一 开始导通．晡：电源正端一 二一 一电 电源负端； 源负端； 第十步：当}=270_~时，BG，、BG 继续导通，BG 第四步：当 90 时，BG 、BG 继续导通，BG． 截止，即有：电源正端一BGj一 一 一B 一电源负 截止，即有：电源正端一BG一 一 一BG一电源负 端； 端； 第十一步：当t=300％时，BG，、BG 继续导通． 第五步：当f=120~时．BG、BG：继续导通 BG BG,开始导通．：电源正端一鬻二 开始导通 有：电源正端 一 一电 一 + 电源负端； 源负端 第十二步：当 330％时，BG．、BG 继续导通， 第六步：当f=i50~时，BG2、BG继续导通，BG BG3截止，即有：电源正端一BG，一 Bc 电 截止，即有：电源正端一BG_+—u—B 一电源负 源负端； 端 ： 当 360：时，又重复 0。时的状态。 第七步：当 180：时，BG2、BG继续导通．BG 在此情况下，电枢绕组的导通顺序与功率开关 开始 晡：电源正端一二≯ c一电晶体管的导通顺序之间的关系如表4所示 表4 电枢绕组与功率管的导通顺序及其相互关系 0 30 60~ 90。 l20 I50。 I80~ 2I 240。 270c 3㈣a 330 3 3．2．2封闭式电枢绕组的电子换相过程 三相三角形电枢绕组与桥式电子换相电路组合的封 无刷直流电动机的封闭式电枢绕组可以是三 闭式三相六状态的电子换相过程(状态角 =60。电 相、四相、五相等 这里，仅借助图1l和表5来说明 角度) 表5 电枢绕组与功率管的导通顺序及其相互关系 0o 60 L20 IB0 240 300~ 36{3 无 刷 直 蔼 流 电 动 机 的 设 (未完待续) 计 一 Ⅲ d) (e) ● 圈l1 封闭式三相六状态的换相过程 维普资讯 触持电棚 2005年第4期 一 … … … 一 一 一 一 一 一 … … 一 一 一 … … … 一 … … … 一 一 ● 一 一 … … 一 一 ● 一 … … 一 … … 一 … … … 一 … … 一 ● 无刷直流电动机的设计 (IV) 叶金虎 (中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233) TheDesignofBrusldessDCMotor(IV) YEJin一^“ (No．21ResearchInstituteunderCETC，Shanghai200233，China) 中图分类号：TM381 文献标识码：A 的绕组称为分数槽绕组。 文章编号 ·1004-7018(20051o4—0044-01 采用分数槽绕组时，每极每相槽数q可以写成： q=Z／2pm =b+c／d (5) 4分数槽电枢绕组 ； 式中：m一相数； 近年来，无刷直流电动机被广泛地用于视听设 z一齿数 (槽数)； 备、计算机外部设备和情报信息机械等领域。在这 P一磁极对数； 些领域内，无刷直流电动机大多采取多极薄饼式外 b一整数； i转子结构，其电枢绕组大多采用分数槽型式的绕组。 c／d一不可约的真分数。 多极薄饼式结构能使电动机的结构紧凑 、性能提高， 当q=Z／2pm为分数时，则每个极距内的槽数 j满足用户的高精度要求。采用分数槽绕组的主要优 就不是整数。一般情况下，分数槽电机的z和P有 !点在于： ‘ 一 个最大的公约数，即 (1)电枢冲片的齿槽数减少，便于电枢冲片和 z／p=Zo／p0 (6) 铁心的制作； 式中：Z=Zot，P=p0t。 (2)一般情况下，电枢绕组的第一节距Y=1，即 因此q可写成： 每个齿上绕制一个集中线圈，从而可采用 自动绕线) 机绕制，可以显著地提高劳动生产率，降低电动机的 式 (7)意味着 ：在分数槽电机中，每2p。个磁极下每 i制造成本； 相占有Zo／m个齿。电机的齿槽分布、感应电动势 (3)能显著地缩短电枢线圈的端部长度，节省 相量图和磁动势相量图，以2p。个磁极为一个周期， 铜材；并可以减小电枢的漏抗，增加电动机的出力， 重复t次。在同一个 2p0个磁极范围内，若把各对 提高灵敏度和效率 ； 磁极依次重迭起来 ，即把P。个相平面重迭起来 ，则 i (4)减小齿槽效应引起的力矩脉动。 不同磁极对下面的齿槽就不会一一对应重合，各个 4．1分数槽绕组的基本概念 磁极对下面的绕组导体中的感应电动势相量，或由 众所周知，当q为整数时，电机每个极距内的槽 该绕组导体内的电流所产生的磁动势相量也不是同 数也是整数。在三相电机中，每个极距分成三个相 相位的。因此，在2p。个磁极范围内，每相总的感应 互间隔60。电角度的相带，后一对磁极是前一对磁 电动势不是每对磁极下每相感应电动势的标量代数 极的重复，一台电机以一个磁极对为一个周期，重复 相加，而是相量几何相加。由此可见，相对短矩绕组 jP次。若把各对磁极依次重迭起来，则它们的齿槽 实现了层与层之间的分布和分布绕组实现了槽与槽 淼i将一一对应重合，各个磁极对下的相应的绕组导体 之间的分布而言，分数槽绕组则进而实现了磁极对 要 中的感应电动势，或者由该绕组导体中的电流所产 与磁极对之间的分布。为分析起见，可以把由P。个 ：生的磁动势也都是同相位的。一台电机每相总的感 相平面重迭在一起后得到的感应电动势相量星形图 ：应电动势便是每对磁极下的每相感应电动势与磁极 或磁动势相量星形图，看作为一个虚拟相平面上的 对数P的乘积。因此，为分析方便，可以把一个磁极 感应电动势相量星形图或磁动势相量星形图；把由 丛 对所对应的部分称为单元电机 ，一台电机每相总的 p0个磁极对所对应的部分看作具有一对虚拟磁极 ；感应电动势就是单元电机的每相感应电动势与磁极 的电机，并称之谓分数槽电机的虚拟单元电机。因 !对数P的乘积。 此 ，虚拟单元电机的槽数为 ，磁极对数为 1。一台 一 在电机中，每极每相槽数q不是整数，而是分数 分数槽电机由f个虚拟单元 电机所组成，其每相总 维普资讯 触__电 ……200…5曼 …… 永磁直流力矩电动机堵转电压变化的实验与分析 张文海 (成都电动 L厂，戒都610500 中图分类号：TM33 文献标识码：E 2堵转电压实验及相关数据 文章编号：1004-7018【2605)04—0045-01 表中符号：R。一电枢电阻：， 一连续堵转电流； 一连 1引 言 续堵转电压；， 一峰值堵转电流；U 一峰值堵转电压；V一电 在测试永磁直流力矩电功机的连续堵转转矩和峰值堵 枢有效体积；P．一连续堵转功耗体积比；P^一峰值堵转功耗 转转矩的同时，必颏测试两种堵转状态的堵转电压(电流)一 体积比； 一连续堵转线负荷； 一峰值堵转线负荷；^一连 实际测试中．一些 电动机瞬间堵转电压变化却不快、为此． 续堵转电流密度 一峰值堵转电流密度；占．一连续堵转发热 我们选择I1种永磁苴流力矩电动机作堵转电压变化的宴验 固子：B：一峰值堵转发热因子：一线种电动 与分析， 便对它的规律宵昕r解 ： 机从大到小实驻有关数据如表 I所示 表I 实验数据 电压 R Uxi／V ，n 、 PlK 尸^x Al 线圈 n — 编号电动机型号窒化n丁实』删值f￡值J—J实删值理】}空值t-mWT·1WO／n1I^c／A／ m_ll．mra。一段数 lJ130LX026太I2521l30 26l45l62356。203027 l6I96l9839536l 2 J85LYX61 尢5．1623ll50 l】9ll】5l8c】．6590 I850I5 57l3 6l0268532 3J850LYY~．5较太I3345l6360II9I7。I263509960t153 102l629-0 296966 4i3~)LYX03C．较大3259I20 1B，9 17．5 62 I56 lI94 009 505l-l22·ll271l2622 5J560LYX12(较2077【5 106l103J3230046 1 l 】1556 5 6儿30LY~04B较太2485 I3l124f10 270f 8346 0I8 J 1 6028 2 f 7J160LYXO3B较』=l256 【84 75l205∞012565l2 0{19 84 76 l26o 1079 12584 2 8 JgOLYXOI小202095l192192ll2I242242 96 0l9 2098 l 9Jl45LYX0lB小62】5l10．310Il42l29．028222l007 l 5I25 l 10Jl30LYX02^小 ll2】8l20．2202l41l459I459268014 【306llI 6984 l lIlI685I．0l 7 lliJI601YX03(小1I482l235230I42I4q0l4824350II 8．0 【16 l蔓瞬： 为l央测值；f ，为墁定的堵转电流值：Uk c。的理沦值丹别为，KI片．和， ：8】、：为线鲍荷月与电流密度』的乘积 3实验数据分析 11％。而堵转电压变化较大的5电动机，B． 两者都比l 电动机大 但堵转电压变化却比I电动机小 连续堵转电压 (I)发热固子 是影响堵转电压变化快慢的次要因索 实测值为237V，理论值为20．7V，瞬间变化为14．5％；峰 一 般规定：水磁直流力矩电动饥在连续堵转时的 值应 值堵转电眶实测值为106V，理论值为103V．瞬间变化为 小于14O0 电动机的口值越大．堵转时线％ 从而引起堵转电压变化也应愈快 观察表中的B 、B：数据． (2)功耗体积比是影响堵转电压变化的主要原因。 可以看到堵转电压变化大和较大的】～7电动机，B。．B 值 我们从散热条件来比较两台电动机的功耗体积比 先 大；堵转电压变化小的8一1l电动机．B．、口值小 但详细 看堵转电压变化大的l电动机 ，它的功耗体积比为：P。= 观察每一台电动机 ．如l电动机的堵转电压变化大．连续堵 0．27W／cnl；P1 K=125W／cm ；而堵转 电压变化较大的5 转电压实测值为30V．理论值为26V．堵转瞬时变化为15％、 ． 电动机 ，它的功耗体积比为P．=0．046W／cm ． =042 峰值堵转电压实测值为623V．理沱值为56V，瞬间变化为 的感应电动势就是虚拟单元电机的每相感应电动势 任何磁极对数P相配合就能获得对称的电枢绕组 与 的乘积，虚拟单元电机，及其对应的感应电动 的 为了获得对称的电枢绕组，参数Z、P和m必须 势相量星形图和磁动势相量星形图是分析计算分数 满足下列关系： 槽电机的基础． (1)Z／m=整数 42分数槽绕组的对称条件 (2)z／m=整数(Z= z，P=pzt) 在电机中，为了获得对称的电动势和磁动势．首 上述关系式被称做分数槽绕组的对称条件。 先要求其具有对称的电枢绕组 对三相电机而言， (未完待续) 所谓对称的电动势和磁动势，就要求 、、 三相的 电动势和磁动势在数值上相等，相互间相位相差 J20。电角度。在分数槽电机中，不是任何槽数z和 一 维普资讯 G 专韪讲座 璺磅_电_姆一 曼． 目 ～ ， 无刷直流电动机的设计 (v) 叶金虎 巾圈电子科冀瓷田 葛 十 研宄所．上海200233) TheDesignofBrushlessDC Motor(V ) ’E ．／in—hu c、E·2II{eseaI【h h1ilut(Il』1d·r·CEI(：． langhai2(~)233．《lii㈨ ) 中图分类号 ：TM381 文献标识码 ：^ 删2．三荆n一3．}乜锕槽数z=9转子永磁体的 文章编号：1004—7018(2fl05J05一O044—81 磁搬数2p=8(z=9．，=4．f：I) 4．3分数槽电楸绕组的联接方法 (1)相邻两齿槽 的央疗1 下面，我们将通过一些实例，着重讨论有荚舒数 十l月邻两断槽问的机1)1l{尖角a =360。／Z=40 槽电枢绕组的联接方法． 棚邻两断槽问的电气失角a．=p×Ⅱ==I60 例 1二三丰Hnt：3，电枢槽数z=12．转 永磁体 (2)电枢线圈的磁势 形图 的磁极数2p=8(Z．．=3． =I，，=4) 州十H邻电枢线阁 I (])柑邻阿 槽间的爽角 轴线问的电气戈角足 ＼J／ 相邻两晰槽间的机械失角d =360。／Z=30。 的磁=势l6’．其r乜枢线圈 _ 相邻两齿槽问的电气夹角 =P =l20。 星形图由p=4 7一 ／＼、4 (2)电瓶线圈的磁势驻形l 个相平咖霞叠而成． 9 2 (Zo：9，J：4，，：1)制 图13 电枢线 的磁势星嘭l闯 对应的电枢线 ，!f’ 势璺形图如 13所 l3)电枢绕组的联接方法 由图i3l见，电动机 If=1个虚拟单元 电机 所组成．第 1、第 2和第9 上的筇 l、第 2手¨第9 与(z-) 3· I 4)囤12 电舷线l到的啦势星形图 个线 相刘应的电枢线个线 齿上的第 ． 势星彤图如 I2所 ； 7第 8和第6个线圈为 Ⅱ相 电枢绕组的联接如 3【)电枢绕彝1的联接方法 表7所列 由图12可见 电动 L南 ，：4个虚拟单元 『机 表7 枢绕组的联接lill=3．=9．2p=8) 所组成．第 J、第4、第7和第 l01、齿 的第 1、第4、 I号线iLrillh 户¨LI}2i ． lj·9【lad)杷盼K-9号线圈 a{l畏 翔 ^丰H的尾 个齿E的第2第5、第8和第 i1个线、第9和第 r csl~ri、4leⅢIlf．ridI5ct．nILIId13 ld：fH的哭．3 线个线圈为 牛H 电枢绕组的联接如表6所示 的头 B相的尾 号戏刹的 为 c 无 表6 电枢绕组的联接( 3，=I2．2p=8) J： 7 r lfP…】l8r 1『1liiiII6 anI 棚的 ，6呼线 圈 刷 直 删士为 l=相的 流 (4)绕组系数 电 动 绕组系数 = ． =0．98； 机 的 (4)绕组系数 短距系数、= 旱：“10=098；芦：20； 设 计 一 绕组系数k= ，．=0．866； 分布系数k．=1 (未完待续) V 短距系数 ．=(Ⅲ =tl¨s30c=0866．卢=60c — 分布系数 ^__=1 维普资讯 一 专 辟 =1嗵持电棚 2005生m第6期 ：／日磊 ； ； ；_一… … … … … … … … … … … … … … … … … … … 一 … … … … … 一．!一． ．… … … … ．一 ：：．=：… ．． 无刷直流 电动机的设计 (VI) 叶金虎 (中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233) TheDesignofBrushlessDCMotor(Ⅵ) YEJin一 u (No．21ResearchInstituteunderCETC，Shanghai200233，China) 中图分类号 ：TM381 文献标识码 ：A — 16槽组和第 13—18—23—4槽组为 ()相 ；第 文章编号 ：1004—7018f2005}o6一OO44一O1 l7—22—3—8槽组和第 5一l0—15—20槽组为 例 3．三相m=3，电枢槽数 Z=24，转子永磁体 的磁 (Y)相 ；第9—14—19—24槽组和第 21—2—7—12 极数 =10(Zo=24，P。=5，t=1)。 槽组为 (z)相。 (1)相邻两齿槽间的夹角 本例题的电枢绕组有两种联接方式： 相邻两齿槽间的机械夹角 =360。／Z=15。 (a)整距绕组 相邻两齿槽间的电气夹角 =P× =75。 由图 14的磁势星形图看出，第 1槽内电枢线)电枢线圈的磁势星形图 圈边的磁势与第 13槽 内电枢线 圈圈边 的磁势相差 两相邻槽之间的电气夹角为 =75。，我们 以 180。电角度 ，第6槽 内电枢线 第一个槽的位置作为起始0。电角度 ，这样第二个槽 槽内电枢线。电角度 ，依此类 将对第一个槽位移 75。电角度，第三个槽将对第一 推。因此 ，由字母 标注的槽 内圈边 1，6，11和 16 个槽位移 150。电角度，以此类推。这样 ，24个槽在 能与由字母 标注的槽 内圈边 13，18，23和4联接 磁场中所处的位置如表 8所列。与 (Zo=24，P。=5， 成整距绕组 ；由字母 标注的槽内圈边 17，22，3和 1)相对应的电枢槽 内线圈圈边的磁势星形图如 8能与 由字母 】，标注 的槽 内圈边 5，l0，15和 20联 图14所示。 接成整距绕组 ；由字母 标注的槽 内圈边 9，14，19 表 8 槽在磁场中所处的位置 和24能与由字母 z标注的槽 内圈边 21，2，7和 12 槽号 l 2 3 4 5 联接成整距绕组。在 槽与 槽 ，槽与 】，槽 ， 槽的位置 (电角度) 0。 75。 l50。 225。 3oo。 第一极对 槽与 槽的联接过程中，以 (或 ，或 )标注的任 槽号 6 7 8 9 10 槽的位置 (电角度) l5。 90。 165。 240。 3l5。 第二极对 意一个槽号内的圈边可 以与以X(或 】，，或 z)标注 槽号 ll 12 l3 14 l5 的任意一个槽号内的圈边相联接 ，其相电势或相磁 槽的位置 (电角度) 30。 105。 180。 255。 660。 第三极对 势的数值保持不变 ，与联接的次序无关；从节省铜材 槽号 l6 l7 l8 19 20 槽的位置 (电角度) 45。 120。 195。 270。 345。 第四极对 和绕组绕制的方便来考虑 ，被联接线 l 线应尽可能地彼此靠近。例如，我们可 以把 () 槽的位置 (电角度) 60。 135。 2l0。 285。 360。 第五极对 相的绕组联接成下面的式样 ：U一(1—23)一(16— 18)一(11—13)一(6—4)一 。 绕组系数k =kpkd=0．96； 短距系数k。=1； 无 ． o ．4 ×15。 刷 slnqo-3- sin— 一 直 分布系数ka=— tt．=——彳 -0．96。 流 图l4 电枢槽内线圈圈边的磁势星形图(m=3，Z=2

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