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無刷直流電動機的設計(I)

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:5299


   編者按:隨著永磁材料和功率電子元器件的不斷進步,水磁無刷直流電動機得到了快速的發展,它們被廣泛地用于變速驅動、伺服驅動、兵器、航空、航天和工業自動化等各個領域。因此,合理正確地設計永磁無刷直流電動機足一個越來越重要的課題從本期起分期介無刷直流電動機的設計,主要有:無刷育流電動機的結構和工作原理,以及連接方式;分數槽繞組:磁路計算;電蹄系統的計算等內容;最后介紹了兩個典型例題。

1永磁無刷直流電動機的工作原理

   在永磁有刷直流電動機中,定子永磁體在氣隙內形成激磁磁場。根據物理學定理,在此情況下,如果迫使電流在電樞繞組線圈的某一根導體中流動,就會產生一個作用于該導體的電磁力,其量值為:F=kBli    (1)

式中:F一力:

     K一常數;

     B一氣隙磁通密度;

     L一導體的長度;

     i一導體內的電流。

   如果電樞繞組線圈的串聯導體數(每線圈多匝)大于l,并攜帶同樣的電流,則電磁力的量值為:F=kBliN    (2)

這里,N為串聯導體數。

   在電動機內,作用在導體上的電動力對轉子中心軸線形成一個力矩.迫使轉子圍繞中心軸線旋轉。

旋轉電磁力矩的量值為:T=kRBliN    (3)  式中:R為導線所處位置相對中心軸線的半徑。

   在永磁有刷直流電動機中,多個線圈組成電樞繞組。兩個相鄰線圈之間存在一定的角位移。一般來說,某一線圈從0°電角度位置開始通電,產生的旋轉電磁力矩從零開始由小到大,再由大變小,當轉過180°電角度時,該線圈產生的旋轉電磁力矩又回到零。這時,該線圈內的電流被自動地開關到另一線圈。開關動作是借助若干個電刷和一個換向器的機械結構來實現的,這種電樞線圈內電流方向的變換被稱之謂機械換向這樣,在有刷直流電動機的某一磁極下,雖然線圈導體在不斷地更替,但只要外加電壓的極性不變,線圈導體中流過的電流方向始終不變,作用在電樞上的電磁轉矩的方向始終不變電動機的旋轉方向也將保持不變,這就是有刷直流電動機的機械換向過程的本質。

   在無刷直流電動機中,定子線圈導體相對轉予水磁體磁場的位置,南轉子位置傳感器通過電子方式或電磁方式所感知;并利用其輸出信號,通過電子換向電路,按照一定的邏輯程序去驅動與電樞繞組相聯接的相應的功率開關晶體管,把電流開關或換向到相應的電樞繞組。隨著轉子的轉動,轉子位置傳感器不斷地發送出信號,致使電樞繞組不斷地依次通電,不斷地改變通電狀態,從而使得在某一磁極下的線圈導體中流過的電流方向始終不變,這就是無刷直流電動機的無接觸式換向過程的實質。

   換向是借助品體管開關來實現的。把所有被聯結在機械換器上面的引線頭抽出來,并給每一個引線頭提供開關,就可以把一臺有刷型電動機變換成一臺無刷型電動機;但是,這種方法必須包含大量的開關取而代之,采用類似于交流電動機中的多相繞組。在此設計中,相作為軸的位置的函數而被換向。

2永磁無刷直流電動機的結構

   首先,永磁無刷直流電動機可以制作成整體式或分裝式兩種類型。整體式電動機提供了包括軸承、轉軸、殼體和固定裝置等在內的全套電動機裝置。另外,電動機制造公司能夠根據用戶的具體要求,提供特殊的殼體。例如,可以把電動機的安裝法蘭鑄造成特殊的結構形狀。整體式結構電動機除了于用戶安裝和維修外,還可以為用戶節省勞動力、存儲等費用。

   分裝式結構為無殼體的或無框架的電動機。電動機制造公司根據用戶的具體要求,只提供電動機的有羌零部件。電動機的有關零部件全部由用戶直接把它們封裝入最終產品內。這樣,可以消除聯軸節和某些機械構件,避免引入不希望的機械諧振,以便使最終產品具有結構緊湊、系統的伺服頻帶更寬和剛度更高等優點。

   永磁無刷直流電動機義可以制作成內轉子式、下:

   (1)內轉子式結構

   一般而言,電動機的定子在外面,轉子在里面。在傳統的有刷直流電動機中,定子磁場在外面。轉子電樞在里面無刷直流電動機出現后,使電樞從里面走到外面,由轉子變成了定子。這種結構稱之渭內轉子結構。

   (2)外轉子式結構

   在實際使用中,有時為了滿足某些電子機械的特殊技術要求,把無刷直流電動機的定子電樞做在里而,而把帶永磁體的轉子做在外面,我們把這種結構稱之謂外轉子結構(或稱之謂內定子結構)。

   內轉子結構和外轉子結構分別示于圖1和圖2在無刷直流電動機的設計中,外轉予結構和內轉子結構具有各自的優缺點。這兩種設計之間的電動機特性的差異情況概括在表1中。

          

圖1外轉子結構               圖2內轉子結構

 表I  內外轉了結構的電動機特性比較

 (3)雙定轉子式結構

 雙定轉子式結構實際上是在內部被相互套配的兩臺電動機,它具有兩個轉子、兩個定子和兩個工作氣隙,外面的一臺電動機是外轉子式結構,里面的一臺電動機是內轉子式結構。根據內外轉子上永磁體的不同配置,又有N—N型和N—S型兩種結構,分別如圖3和4所示。

                  

圖3   N—N型雙定轉子式結構                 圖4  N—S型雙定轉子式結構

   在N—N型結構中,電樞繞組為背對背繞制的環形線圈,具有一個公共的定子磁軛  內外永磁體的N極發出的徑向磁通,各自通過內外氣隙,各自穿過環彤電樞線圈,進入公共的定子磁軛,再各自穿出背對背繞制的環形電樞線圈,各自通過內外氣隙,各自到達內外永磁體的S極,然后內外徑向磁通經過內外轉子磁軛。分別與內外起始永磁體的N極閉合。在這種結構類型的電動機中,由于相對內部氣隙表面的電樞電流和磁通方向和相對外部氣隙表面

的電樞電流和磁通方向是相反的,所以由電樞線圈內流過的電流和永磁體產生的磁通之間的相互作用在內外氣隙中所產生的內外電磁切向力的方向是一斂的。這意味著:電動機的總電磁力矩等內部電動機的電磁力矩和外部電動機的電磁力矩之和。因此,這種具有雙定轉子、徑向磁通和環形電樞線圈結構型式的永磁無刷直流電動機,能夠獲得較高的力矩密度和功率密度,在許多驅動系統中,尤其在宇航技術領域內,必將得到廣泛的重視和應用。

   在N—S型結構中,外部永磁體的N極發出的徑向磁通,通過外部氣隙,穿過電樞線圈,進入內部氣隙.到達內部永磁體的S極,經過內轉子磁軛,到達內部永磁體的N極;內部永磁體的N極發出的徑向磁通,通過內部氣隙,穿過電樞線圈,進入外部氣隙,到達外部永磁體的S極,再經過外轉子磁軛,然后與外起始永磁體的N極閉合。因此,在N—S型結構中,不需要定子磁軛,有時即使采用定子磁軛,也僅是為了增加電樞的機械強度。在N—S型結構中,電樞繞組不能采用背對背繞制的環形線圈,而應采用疊繞組或波繞組。

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