无刷直流电机的设计叶老师.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.44M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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做持电和 2005年第 1期专题讲座无刷直流电动机的设计(I) (中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233) 叶金虎 The Design of Brushless DC Motor(I) (No. 21 Research Institute under CETC，Shanghai200233，China) YE fin一hu 编者按 :随着永磁材料和功率电子元器件的不断进步，永磁无刷直流电动机得到了快速的发展，它们被广泛地用于变速驱动、伺服驱动、兵器、航空、航天和工业自动化等各个领域。因此，合理正确地设计永磁无刷直流电动机是一个越来越重要的课题。从本期起分期介绍无刷直流电动机的设计，主要有:无刷直流电动机的结构和工作原理，以及连接方式;分数槽绕组;磁路计算;电路系统的计算等内容;最后介绍了两个典型例题。中图分类号:TM33 文献标识码 :A 文章编号:1004一7018(2005)01一0041 一02 1永磁无刷直流电动机的工作原理在永磁有刷直流电动机中，定子永磁体在气隙内形成激磁磁场。根据物理学定理，在此情况下，如果迫使电流在电枢绕组线圈的某一根导体中流动，就会产生一个作用于该导体的电磁力，其量值为: 式中:F一力 ; K一常数; B一气隙磁通密度; l一导体的长度; i一导体内的电流。如果电枢绕组线圈的串联导体数 (每线圈多匝)大于 1，并携带同样的电流，则电磁力的量值为: (2) 这里，N为串联导体数。在电动机内，作用在导体上的电动力对转子中心轴线形成一个力矩，迫使转子围绕中心轴线旋转。旋转电磁力矩的量值为: T=kRBliN (3) 式中:R为导线所处位置相对中心轴线的半径。在永磁有刷直流电动机中，多个线圈组成电枢绕组。两个相邻线圈之间存在一定的角位移。一般来说，某一线圈从 0。电角度位置开始通电，产生的旋转电磁力矩从零开始由小到大，再由大变小，当转过 180“电角度时，该线圈产生的旋转电磁力矩又回到零。这时，该线圈内的电流被自动地开关到另一万方数据线圈。开关动作是借助若干个电刷和一个换向器的机械结构来实现的，这种电枢线圈内电流方向的变换被称之谓机械换向。这样，在有刷直流电动机的某一磁极下，虽然线圈导体在不断地更替，但只要外加电压的极性不变，线圈导体中流过的电流方向始终不变，作用在电枢上的电磁转矩的方向始终不变，电动机的旋转方向也将保持不变，这就是有刷直流电动机的机械换向过程的本质。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式或电磁方式所感知;并利用其输出信号，通过电子换向电路，按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相联接的相应的功率开关晶体管，把电流开关或换向到相应的电枢绕组。随着转子的转动，转子位置传感器不断地发送出信号，致使电枢绕组不断地依次通电，不断地改变通电状态，从而使得在某一磁极下的线圈导体中流过的电流方向始终不变，这就是无刷直流电动机的无接触式换向过程的实质。换向是借助晶体管开关来实现的。把所有被联结在机械换器上面的引线头抽出来，并给每一个引线头提供开关，就可以把一台有刷型电动机变换成一台无刷型电动机;但是，这种方法必须包含大量的开关。取而代之，采用类似于交流电动机中的多相绕组。在此设计中，相作为轴的位置的函数而被换向。 2永磁无刷直流电动机的结构首先，永磁无刷直流电动机可以制作成整体式或分装式两种类型。整体式电动机提供了包括轴承、转轴、壳体和固定装置等在内的全套电动机装置。另外，电动机制造公司能够根据用户的具体要求，提供特殊的壳体。例如，可以把电动机的安装法兰铸造成特殊的结构形状。整体式结构电动机除了无刷直流电动机的设计便于用户安装和维修外，还可以为用户节省劳动力、存储等费用。分装式结构为无壳体的或无框架的电动机。电」 F =kBli (1) F =kBliN

专题讲座拟持电扣 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人最终产品内。这样，可以消除联轴节和某些机械构件，避免引人不希望的机械谐振，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。磁通环流定子转浦绕组永磁体永磁无刷直流电动机又可以制作成内转子式、图3 N一N型双定转子式结构外转子式和双定转子式等类型的结构，分别介绍如下 : (1)内转子式结构一般而言，电动机的定子在外面，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。这种结构称之谓内转子结构。 (2)外转子式结构在实际使用中，有时为了满足某些电子机械的特殊技术要求，把无刷直流电动机的定子电枢做在里面，而把带永磁体的转子做在外面，我们把这种结构称之谓外转子结构(或称之谓内定子结构)。内转子结构和外转子结构分别示于图 1和图 2。在无刷直流电动机的设计中，外转子结构和内转子结构具有各自的优缺点。这两种设计之间的电动机特性的差异情况概括在表 1中。电枢电枢永磁体永磁体图1 外转子结构图2 内转子结构表 1 内外转子结构的电动机特性比较电动机特性转子惯量输出力矩/输出功率零部件数目霍尔效应的位置外转子结构内转子结构较高较高较多近似较低较低较少精确 (3)双定转子式结构双定转子式结构实际上是在内部被相互套配的两台电动机，它具有两个转子、两个定子和两个工作气隙，外面的一台电动机是外转子式结构，里面的一台电动机是内转子式结构。根据内外转子上永磁体的不同配置，又有 N一N型和 N一S型两种结构，分别如图 3和 4所示。在 N一N型结构中，电枢绕组为背对背绕制的环形线圈，具有一个公共的定子磁扼。内外永磁体无刷直流电动机的设计 42 万方数据磁通环流转r 永磁体图4 N一S型双定转子式结构的 N极发出的径向磁通，各自通过内外气隙，各自穿过环形电枢线圈，进入公共的定子磁扼，再各自穿出背对背绕制的环形电枢线圈，各自通过内外气隙，各自到达内外永磁体的 S极，然后内外径向磁通经过内外转子磁扼，分别与内外起始永磁体的 N极闭合。在这种结构类型的电动机中，由于相对内部气隙表面的电枢电流和磁通方向和相对外部气隙表面的电枢电流和磁通方向是相反的，所以由电枢线圈内流过的电流和永磁体产生的磁通之间的相互作用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。在 N-S型结构中，外部永磁体的 N极发出的径向磁通，通过外部气隙，穿过电枢线圈，进人内部气隙，到达内部永磁体的 S极，经过内转子磁扼，到达内部永磁体的 N极;内部永磁体的 N极发出的径向磁通，通过内部气隙，穿过电枢线圈，进人外部气隙，到达外部永磁体的 S极，再经过外转子磁扼，然后与外起始永磁体的 N极闭合。因此，在 N一S型结构中，不需要定子磁扼，有时即使采用定子磁扼，也仅是为了增加电枢的机械强度。在 N一S型结构中，电枢绕组不能采用背对背绕制的环形线圈，而应采用叠绕组或波绕组。 (未完待续) 为班-步提高本刊的编辑质量，请您对此文在读者胶务卡上圈上数字代码: 有价值，请曲z7;没有价值、请圈郊。

专题讲座 ""! !! "#$%&"’()*"#+,-$’*+# """"""""""""" """""""""""""" "" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ""!""# ! 年第期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 !""!## ） %&’(’)*+,-./01)&2’))(3 4-5-0 （） ! !"#$%&’( （ $%&!’()*)+,-./0*12131)304),5675 ， 8.+09.+2!""!## ， 5.20+ ） "" 中图分类号#%4678"" 文章编号#8""$:;"87$!""#%"!:""$!:"! 文献标识码#9 电枢绕组的连接方式和电子换向 6 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绕组两类$ 电子换向电路分成桥式 !双极性 :2;%< >02;%=+,"电路两种$ 不同连 =+,"和非桥式!单极性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$ !-" !)" !4" !A" # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # " " " " " " " " " " " " " " " "无刷直流电动机的设计 ! ! " 6&8 电枢绕组的连接方式 !’"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#也可以是非桥式线路$图为星形绕组与桥式线路的组合#图桥式线路的组合$ 为星形绕组与非 ?+ ?- 和和 @ 4 !!"封闭式连接绕组封闭式连接绕组是由各相绕组线圈组成封闭的形式#即把第一相绕组线圈的尾端与第二相绕组线圈的首端相连接#再把第二相绕组线圈的尾端与第三相绕组线圈的首端相连接#依次类推#直至最后一相绕组线圈的尾端又与第一相绕组线圈的首端相连接$图合#图合$ 为四相封闭式连接绕组与桥式线路的组为三相封闭式连接绕组与桥式线路的组 ?) ?A !#"特殊连接的绕组图和 ?9 . 为两种特殊的电枢绕组与电子换向电路组合的例子$ 6&! 电子换向换向又可以称为换流$ 在无刷直流电动机中# 来自转子位置传感器的信号#经处理后按照一定的逻辑程序 #驱使某些与电枢绕组相连接的功率开关 $!""" !+" 万方数据 !@" !9" !." 图 #" 绕组的连接方式晶体管在某一瞬间导通或截止#迫使某些原来没有电流的电枢绕组内开始流通电流#某些原来有电流的电枢绕组内开始关断电流或改变电流的流通方向#从而迫使定子磁状态产生变化$ 我们把这种利用电子电路来实现电枢绕组内电流变化的物理过程称为电子换向或换流$ 每换流一次#定子磁状态就改变一次#连续不断的换流#就会在工作气隙内产生一个跳跃式的旋转磁场$ 电子换向或换流是无刷直流电动机的关键技术之一#只有正确地进行换流#才能保证无刷直流电动机可靠地运行$ 下面以电磁式转子位置传感器为例#详细地分析无刷直流电动机几种典型的电枢绕组的电子换向或换流过程$ 星形电枢绕组的电子换向过程 #&!&’ #&!&’&’ 三相星形非桥式连接的电子换向过程 B 图是三相星形非桥式连接的电子换向电路的原理图$图中左边是电磁式转子位置传感器的示意图#它的固定部分由高频铁氧体磁心和六个线圈所组成$六个线圈中#三个线圈串联连接作为原边激和磁线圈#另外三个线圈作为副边输出线圈 ), $三个副边输出线圈相& )*&)+ )*&)+ 分别与 ), * 和

""!""# "" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! """""" """"""""""""""""""""""""! 为第一磁状态$.+ F+ 年第期 ! 专题讲座 "" "#$%&"’()*"#+,-$’*+#!! , 相和相三个电枢绕组相对应! 转子位置传感 + 器的旋转部分由高频铁氧体磁心"图中涂黑部分#和非导磁体所组成的一个圆环$并与电动机的主转子同轴安装! 图 <" 三相星形非桥式连接的电子换向电路在转子位置传感器的原边激磁线圈通以高频激磁电流"几百千赫兹#的情况下$当旋转部分的高频铁氧体磁心"图中涂黑部分#扇形片使副边输出线圈就有与原边激磁线圈耦合时$副边输出线圈和 )* 没有输出信号%而其它两个副边输出线圈与原边激磁线圈相耦合$所以没有输出信号! 利用副边输出线圈相电枢绕组 :C’$并使之导通$从而电相电枢绕组馈电! 当转子位置传感器的扇相连接的功率开关晶体管的输出信号触发与源给 ), )* )* )+ * * + )+ )+ )* ), :C# :C’ ’!"- )+ 就有输的输出信号触发与接的功率开关晶体管电角度时$扇形片使副边输出线圈形片转过与原边激磁线圈相耦合$副边输出线圈和没有与出信号%而其它两个副边输出线圈原边激磁线圈相耦合$所以没有输出信号! 用副边输出线圈相电枢绕组相连 :C!$并使之导通$从而电源给由相电枢绕组馈电!这时$功率开关晶体管 + 导通变成截止$功率开关晶体管仍然保持状态!这里$我们把一个功率开关晶体管保持持续导通的电角度称为该功率开关晶体管的导通角!当转电角度时$扇形子位置传感器的扇形片再转过与原边激磁线圈相耦合$副就有输出信号%而其它两个副边输没有与原边激磁线圈相耦合$所以的输出信号出线圈没有输出信号!利用副边输出线圈去触发与相电枢绕组相连接的功率开关晶体管 :C#$并使之导通$从而电源给相电枢绕组馈电! 这样$随着转子位置传感器旋转部分的扇形片的转动$电枢绕组便被一相一相地依次馈电$从而实现电枢绕组各相之间的电子换向或换流! 片使副边输出线圈边输出线圈 ), 和 ’!"D ), ), ), )* , E 在换向或换流过程中$工作气隙内会形成跳跃电角度范围内式的旋转磁场$这种旋转磁场在电角度! 所有三个磁状态$每个磁状态持续以$我们称为一相导通星形三相三状态! 在此情况下$永磁体磁场和电枢磁场之间的相互关系如图 ’!"D #B"D F 万方数据 "未完待续# 为进一步提高本刊的编辑质量 $请您对此文在读 "" 者服务卡上圈上数字代码 & 有价值 $请圈 !J%没有价值 $请圈 #"! ’!"D F@ 转子再转过所示!图为电枢绕组被馈电后所产生的磁势! 显然$电枢磁场与永磁体磁场的相互作用迫使电动机转子沿着顺时针方向旋转%当电角度后$便进入第二磁状态$如图转子转过所示$电动机转子继续沿着顺时针方向旋转%当电角度后$便进入第三磁状态$如所示$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电角度后$电动机便回复到起始状态! 这样周而复始$电动机便连续不断地旋转!这里$我们把一个磁状态所持续的电角度称为状态角! ’!"D ’!"D F- 图为了成功地实现无刷直流电动机电枢绕组的换向相或换流$转子位置传感器旋转部分的扇形片的张角必须满足由下式决定的条件& !*. G !" /0 "H# 磁极对数% 绕组相数! 式中&/& 0& 为了避免起动时出现死点$保证无刷直流电动机的可靠运行$扇形片的张角 !*. 应稍大于!" /0 的数值! "+# "@# "-# 永磁体磁场和电枢磁场之间的相互关系 "4# 图 ;" 图 I 星形三相三状态的电枢绕组导通顺序如表是各相电枢绕组的导通示意图!一相导通所示! ! 图 7" 各相绕组的导通示意图表电枢绕组与功率开关晶体管的导通顺序及其相互关系 ’!"D !H"D #B"D * + , * !" 时间"电角度# "D 导通顺序 :C’ :C! :C# # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # $6""" " " " " " " " " " " " " " " " "无刷直流电动机的设计 ! ! "

! ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !""# 年第 $ 期 !! 专题讲座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 "##"$$） ’() *)+,-. /0 123+(4)++ *5 6/7/2（ !）（ &’( ") *+,+-./0 12,34353+ 526+. 7897，:0-2;0-4 "##"$$，7042-） !" #$% % &’ & 中图分类号：’6$89& & 文献标识码：: & 文章编号：9""% ; <"98（!""#）"$ ; ""%$ ; "! $( "( )( " 三相星形桥式连接的电子换相过程图 < 是三相星形桥式连接的电子换相电路的原理图。下面分三种情况来进行分析：图 =& 三相星形桥式连接的换相电路（ -）二相导通的星形三相六状态二相导通的星形三相六状态的电子换相过程如下：正端时，@A) 第一步：当 ( = #>? #@A) #)#*#@AB # 第二步：当 ( = C#>? 第三步：当 ( = )"#>? 时，@A) #@A) #)#+#@AC # 时，@A" #@A" #*#+#@AC # 时，@A" 第四步：当 ( = )D#>? 源正端源正端、@AB 导通，即有：电源电源负端；导通，即有：电、@AC 电源负端；、@AC 电源负端；、@AE 导通，即有：电源正端 #@A" #*#)#@AE # 电源负端；电源正端第五步：当 ( = "E#>? 时，管 @A$ #@A$ #+#)#@AE # 时，@A$ #@A$ #+#*#@AB # 第六步：当 ( = $##>? 电源负端；、@AB 电源负端；源正端、@AE 导通，即有：导通，即有：电当 ( = $C#>? 在此情况下，电枢绕组的导通顺序与功率开关时，又重复 ( = #>? 时的状态。晶体管的导通顺序之间的关系如表 $ 所示。表 $& 电枢绕组与功率管的导通顺序及其相互关系第一步：当 ( = #,? 时，@A$ 、@A) 有：电源正端 # @A$ #+ @A) #) 第二步：当 ( = C#>? #*#@AB # 时，@A) 、@AB 开始导通，即有：电源正端截止，@AC *#@AB +#@AC # 电源负端；第三步：当 ( = )"#>? 时，@A) 、@AC 截止，@A" 开始导通，即有：电源正端 #@AC # 电源负端；第四步：当 ( = )D#>? 时，@A" 、@AC 开始导通，即有：电源正端截止，@AE +#@AC )#@AE # 电源负端；截止，@A$ 开始导通，即有：电源正端 #@AE # 电源负端；第六步：当 ( = $##>? 、@AE 开始导通，即有：电源正端时，@A$ 截止，@AB )#@AE *#@AB # 电源负端；导通，即有：电第五步：当 ( = "E#>? 时，@A" 、@AE ! ! # #+ 导通，即和 @AB 电源负端； @A) #) @A" #* 仍然导通，@AB 仍然导通，@A) # @A" # * # 仍然导通，@A$ # @A) # ) # "#$%&" ’( )*"#+,-$’*+# !! " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ! " ! " ! " ! " ! ! " ! " ! " ! " ! " ! " ! " ! ! " ! " ! " 无 " 刷直 " 流 " 电 " 动 " 机 " 的 " 设 " 计︵ " ! " ︶ " " %$&&& 仍然导通，@A" # @A$ # + # 仍然导通，@AC @A" #* @A$ #+ 和 @AC 导通，即 #) # 时，又重复 ( = #,? 当 ( = $C#,? （ /）二相三相轮流导通的星形三相十二状态无刷直流电动机在二相三相轮流导通的星形三时的状态。相十二状态运行时，其电枢绕组有时为二相导通，有时为三相导通，依次轮流进行，如图 )# 所示。（ F）三相导通的星形三相六状态三相导通的星形三相六状态的电子换相过程如下：万方数据万方数据换相过程如下：第一步：当 ( = #>? 时 @AB 、@A) 图 9"& 绕组的导通状态二相三相轮流导通的星形三相十二状态的电子

!! 专题讲座 "#$%&" ’( )*"#+,-$’*+# ! ! ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !""# 年第 $ 期 % % ! 有：电源正端 #"#$ #!# "#"#% ##"#& # 电源负端；源负端；第八步：当 $ ’ ,$)*+ 时，"#( 、"#. 第二步：当 $ ’ ()*+ 截止，即有：电源正端时，"#$ 、"#& 继续导通，"#% 电源负截止，即有：电源正端端； #"#$ #!###"#& # 继续导通，"#, 电源负 #"#( ###!#"#. # 第三步：当 $ ’ &)*+ 时，"#$ 开始导通，即有：电源正端、"#& "#$ #! "#, #" # 源负端；继续导通，"#, ###"#& # 电第九步：当 $ ’ ,.)*+ 时，"#( 、"#. 继续导通，"#% 开始导通，即有：电源正端 #"#( ### !#"#. "#"#% # 电源负端；第四步：当 $ ’ -)*+ 截止，即有：电源正端时，"#, 、"#& 继续导通，"#$ 电源负截止，即有：电源正端端； #"#, #"###"#& # 第十步：当 $ ’ ,0)*+ 时，"#( 、"#% 继续导通，"#. 电源负 #"#( ###"#"#% # 第十一步：当 $ ’ ())*+ 时，"#( 继续导通，、"#% "#( ## "#$ #! #"#"#% "#$ 开始导通，即有：电源正端 # 电源负端； # 第十二步：当 $ ’ (()*+ 截止，即有：电源正端、"#% 时，"#$ #"#$ #!#"#"#% # 继续导通，电 "#( 源负端；继续导通，"#( #!#"#. # 电当 $ ’ (&)%+ 在此情况下，电枢绕组的导通顺序与功率开关时，又重复 $ ’ )%+ 时的状态。晶体管的导通顺序之间的关系如表 . 所示。表 &% 电枢绕组与功率管的导通顺序及其相互关系第五步：当 $ ’ $,)*+ 时，"#& 、"#, 开始导通，即有：电源正端 #"#, #"# 源负端；端；第六步：当 $ ’ $%)*+ 时，"#, 、"#. 截止，即有：电源正端 #"#, #"#!#"#. # 继续导通，"#. ##"#& !#"#. # 电继续导通，"#& 电源负第七步：当 $ ’ $/)*+ 时，"#, 开始导通，即有：电源正端、"#. "#, #" "#( ## # 端；端； ! !! " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 无刷直流电动机的设计︵ ! ︶ &&%%% 万方数据万方数据 (1 ,1 , 封闭式电枢绕组的电子换相过程无刷直流电动机的封闭式电枢绕组可以是三相、四相、五相等。这里，仅借助图 $$ 和表 % 来说明图 ’’% 封闭式三相六状态的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闭式三相六状态的电子换相过程（状态角 !2 ’ &)*电角度）。表 #% 电枢绕组与功率管的导通顺序及其相互关系（未完待续） ! 为进一步提高本刊的编辑质量，请您对此文在读 ! 者服务卡上圈上数字代码：有价值，请圈 ,0；没有价值，请圈 ,/。

专题讲座 ""! !! "#$%&"’()*"#+,-$’*+# """"""""""""" """""""""""""" "" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ""!""# $ 年第期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 !""!## ） %&’(’)*+,-./01)&2’))(3 4-5-0 （） ! !"#$%&’( （ $%&!’()*)+,-./0*12131)304),5675 ， 8.+09.+2!""!## ， 5.20+ ） "" 中图分类号#%4678"" 文章编号#8""$:;"87$!""#%"$:""$$:"8 文献标识码#9 分数槽电枢绕组 $ 近年来#无刷直流电动机被广泛地用于视听设备$计算机外部设备和情报信息机械等领域% 在这些领域内#无刷直流电动机大多采取多极薄饼式外转子结构#其电枢绕组大多采用分数槽型式的绕组% 多极薄饼式结构能使电动机的结构紧凑$性能提高# 满足用户的高精度要求%采用分数槽绕组的主要优点在于& !’"电枢冲片的齿槽数减少#便于电枢冲片和铁心的制作’ !!"一般情况下#电枢绕组的第一节距 ):’#即每个齿上绕制一个集中线圈#从而可采用自动绕线机绕制#可以显著地提高劳动生产率#降低电动机的制造成本’ !#"能显著地缩短电枢线圈的端部长度#节省铜材’并可以减小电枢的漏抗#增加电动机的出力#提高灵敏度和效率’ $&8 !;"减小齿槽效应引起的力矩脉动% 分数槽绕组的基本概念众所周知#当 * <"= 为整数时#电机每个极距内的槽数也是整数%在三相电机中#每个极距分成三个相互间隔电角度的相带#后一对磁极是前一对磁极的重复#一台电机以一个磁极对为一个周期#重复次%若把各对磁极依次重迭起来#则它们的齿槽 + 将一一对应重合#各个磁极对下的相应的绕组导体中的感应电动势#或者由该绕组导体中的电流所产生的磁动势也都是同相位的%一台电机每相总的感应电动势便是每对磁极下的每相感应电动势与磁极对数的乘积% 因此#为分析方便#可以把一个磁极对所对应的部分称为单元电机#一台电机每相总的感应电动势就是单元电机的每相感应电动势与磁 + 极对数的乘积% + 在电机中#每极每相槽数不是整数#而是分数 * 的绕组称为分数槽绕组% 采用分数槽绕组时#每极每相槽数 *,-(!+. ,/01(2 * 可以写成& !>" 式中&.& -& 相数’ 齿数!槽数"’ 磁极对数’ 整数’ +& /& 1(2& 当不可约的真分数% *,-(!+. 为分数时#则每个极距内的槽数有和 - + 就不是整数%一般情况下#分数槽电机的一个最大的公约数#即 -(+,-"(+" !<" 式中&-,-"3#+,+"3% 因此可写成& * 3 +" !+" !+" -"(. *,-"(!.+" 次%在同一个 !?" 式 !?"意味着&在分数槽电机中#每个磁极下每个齿% 电机的齿槽分布$感应电动势相占有个磁极为一个周期# 相量图和磁动势相量图#以 !+" 个磁极范围内#若把各对重复 !+" 磁极依次重迭起来#即把个相平面重迭起来#则不同磁极对下面的齿槽就不会一一对应重合#各个磁极对下面的绕组导体中的感应电动势相量#或由该绕组导体内的电流所产生的磁动势相量也不是同相位的%因此#在个磁极范围内#每相总的感应电动势不是每对磁极下每相感应电动势的标量代数相加#而是相量几何相加%由此可见#相对短矩绕组实现了层与层之间的分布和分布绕组实现了槽与槽之间的分布而言#分数槽绕组则进而实现了磁极对与磁极对之间的分布%为分析起见#可以把由个相平面重迭在一起后得到的感应电动势相量星形图或磁动势相量星形图#看作为一个虚拟相平面上的感应电动势相量星形图或磁动势相量星形图’把由个磁极对所对应的部分看作具有一对虚拟磁极 +" 的电机#并称之谓分数槽电机的虚拟单元电机% 因 ’%一台此#虚拟单元电机的槽数为个虚拟单元电机所组成 #其每相总分数槽电机由 -"#磁极对数为 +" 3 # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # " " " " " " " " " " " " " " " "无刷直流电动机的设计 ! ! " $$"""

!! """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 永磁直流力矩电动机堵转电压变化的实验与分析 !! !!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!""# 年第期 $ 读者园地 ! "#$"%&’()*" "" # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # $#!!! 张文海（成都电动机厂，成都 !"#$## ）堵转电压实验及相关数据 ! 表中符号%!%& 电枢电阻&"’"& !! 中图分类号!%&’’!! 文章编号!)""$*+"),"!""##"$*""$#*") 文献标识码!( 引言 ) ! 在测试永磁直流力矩电动机的连续堵转转矩和峰值堵转转矩的同时!必须测试两种堵转状态的堵转电压 "电流 #$ 实际测试中!一些电动机瞬间堵转电压变化却不快$ 为此! 种永磁直流力矩电动机作堵转电压变化的实验我们选择 "" 与分析!以便对它的规律有所了解$ 续堵转电压&"’(& 电枢有效体积&%"’ & 功耗体积比&&"& 峰值堵转电流&#’( & 连续堵转功耗体积比&%(’ & 连续堵转线负荷&&(& 连续堵转电流&#’"& 连峰值堵转电压&$& 峰值堵转峰值堵转线负荷&’" 连续堵连续堵转电流密度&’( ( & 转发热因子&)( ( 峰值堵转电流密度&)" ( 峰值堵转发热因子&*( 线圈绕制股数$ 种电动机从大到小实验有关数据如表所示$ " "" 表 )! 实验数据编号电动机型号 " /"-#012#(! ( /7$012!" - /7$#012($ 4 /-##012#-8( $ /$!#012"(9 ! /"-#012#4: 5 /"!#012#-: 7 /6#012#" 6 /"4$012#": "# /"-#012#() "" /"!#012#-8 电压变化大大较大较大较大较大较大小小小小 !% ! "’" ) #’"’* 实测值理论值 "’( ) #’(’* 实测值理论值 $ +,- %"’ .’+,- %(’ .’+,- &" &( ’" )’+, )’+, )’,,( ’( )’,,( )" )( 线圈股数 "(3$ (3" -# (! 43$ !(3- $!3# (#- #3(5 "3($ "46 -(# !3! (63! 67- 6$-! " $3"! (3- "$3# ""36 ""3$ 7#3! $63# "7$ #3"$ -35# ""$ $5$ 63- 4!35 "#5#(!7$- ( "3-- 4$ !- !# "67 (5# (!- $#66! #3#$- "3# (-- "#(4 !3! (63# "$-7(6!6! ! -3( $36 (#35 "736 "53$ !( $! ""64 #3#6 #37( "5# $#$ 53$ ((3- "(5$""(!( ( "344(-3$ (-35 (#35 5"3$ "#! "#- "5-(- #3#4! #34( ("" !4( $36 "73# "(4$""$$! $ (347 $ "-3" "(34 "# (53# (437 -4! #3"7 #35( "-5 (54 "" (( "$#5 !#(7 ( "3($ ! 734 53$ (#3$ -#3# ($3! $"( #3#6 "3# "4( 474 53! (!3# "#56"($74 ( (#3(#36$ "63( "63( "3( (43( (43( 6! #3"6 #3- "-! "5( 635 "(3( "-"6 (#67 " !35( "3$ "#3- "#3" 43( (63# (73( ((" #3#5 #3($ 66 (55 !3! "73$ !$- $"($ " ""3( "37 (#3( (#3( 43" 4$36 4$36 (!7 #3"4 #35# "(7 (6" "#3$ (43# "-44 !674 " ""347 ( (-3$ (-3# 43( 463# 473( 4-$ #3"" #345 "4! -#! 73# "!35 ""!7 $""# " !! 说明%!% 为实测值&"’"("’( 为规定的堵转电流值&#’"(#’( 的理论值分别为 "’"!% 实验数据分析 ’ ) ""#发热因子一般规定%永磁直流力矩电动机在连续堵转时的 "4##$电动机的是影响堵转电压变化快慢的次要因素$ 值应 ) ) 小于从而引起堵转电压变化也应愈快$观察表中的可以看到堵转电压变化大和较大的 )"()( 7! """! 电动机!)"()( 值越大!堵转时线圈电阻发热愈快! 数据! "! "5! 电动机!)"()( 值小$ 但 "! 电动机的堵转电压变化大!连 (! *!堵转瞬时变化为 $! *!瞬间两 !(3-*!理论值为 $" 电动机!)"()( 值大&堵转电压变化小的详细观察每一台电动机!如续堵转电压实测值为 "$;$峰值堵转电压实测值为变化为 -#*!理论值为 "";$而堵转电压变化较大的与 + 的感应电动势就是虚拟单元电机的每相感应电动势的乘积$虚拟单元电机!及其对应的感应电动势相量星形图和磁动势相量星形图是分析计算分数槽电机的基础$ $,! 分数槽绕组的对称条件在电机中!为了获得对称的电动势和磁动势!首先要求其具有对称的电枢绕组$ 对三相电机而言! 三相所谓对称的电动势和磁动势!就要求的电动势和磁动势在数值上相等!相互间相位相差和电角度$ 在分数槽电机中!不是任何槽数 #($(- "(#. / 者都比 "’(!%&)"()( 和与电流密度 "" 电动机大!但堵转电压变化却比为线负荷 & 续堵转电压实测值为 (-35*!理论值为 "43 值堵转电压实测值为 $;& "#!*!理论值为的乘积$ ’ "" 电动机小$ 连 (#35*!瞬间变化为峰 "#-*!瞬间变化为 (36;$ "(#功耗体积比是影响堵转电压变化的主要原因$ 我们从散热条件来比较两台电动机的功耗体积比$ 先看堵转电压变化大的 "" 电动机 !它的功耗体积比为 %%"’ < #3(5 .’+,-&%(’ <"3($ .’+,-&而堵转电压变化较大的 $" 电动机 !它的功耗体积比为 %"’ <#3#4!.’+,- !%(’ <#34( 0 相配合就能获得对称的电枢绕组任何磁极对数的$为了获得对称的电枢绕组!参数满足下列关系% ""#/’12 "(#/#’12 上述关系式被称做分数槽绕组的对称条件$ 整数整数"/2/#+!020#+# /(0 必须 1 和 "未完待续# 为进一步提高本刊的编辑质量 !请您对此文在读 !! 者服务卡上圈上数字代码 % 有价值 !请圈 (5&没有价值 !请圈 (7$

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