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无刷直流电动机的设计(I)

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:6994


   编者按:随着永磁材料和功率电子元器件的不断进步,水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足一个越来越重要的课题从本期起分期介无刷直流电动机的设计,主要有:无刷育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;电蹄系统的计算等内容;最后介绍了两个典型例题。

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:F=kBli    (1)

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l,并携带同样的电流,则电磁力的量值为:F=kBliN    (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予水磁体磁场的位置,南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。

   换向是借助品体管开关来实现的。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。电动机制造公司根据用户的具体要求,只提供电动机的有羌零部件。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义可以制作成内转子式、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。这种结构称之渭内转子结构。

   (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而,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,外转予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。

          

图1外转子结构               图2内转子结构

 表I  内外转了结构的电动机特性比较

 (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—N型和N—S型两种结构,分别如图3和4所示。

                  

图3   N—N型双定转子式结构                 图4  N—S型双定转子式结构

   在N—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轭  内外永磁体的N极发出的径向磁通,各自通过内外气隙,各自穿过环彤电枢线圈,进入公共的定子磁轭,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轭。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敛的。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,进入内部气隙.到达内部永磁体的S极,经过内转子磁轭,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,进入外部气隙,到达外部永磁体的S极,再经过外转子磁轭,然后与外起始永磁体的N极闭合。因此,在N—S型结构中,不需要定子磁轭,有时即使采用定子磁轭,也仅是为了增加电枢的机械强度。在N—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。

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