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1、电机与拖动基础电机与拖动基础 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信息与电气工程学院 二零一六年七月二零一六年七月 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告 2 直流无刷电机本体设计 1. 设计任务 (1) 额定功率 80 N PW (2) 额定电压 310 N UV (3) 电动机运行时额定转速 1000 / min N nr (4) 发电机运行时空载转速 max 6000 / minnr (5) 最大允许过载倍数 2.5 (6) 耐冲击能力 2 1500/ m am s (7) 机壳外径 42Dmm 设计内容： 1. 根据给定的技术指标，计算电机基本尺寸，包括：定子
2、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。 2. 理论与计算过程 2.1 直流无刷电机的基本组成环节 直流无刷电动机的结构原理如图 2-1-1 所示。它主要由电机本体、位置传感 器和电子开关线路三部分组成。电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没 有笼型绕组和其他起动装置。 其定子绕组一般制成多相 （三相、 四相、 五相不等）， 转子由永久磁钢按一定极对数 （2p=2,4,） 组成。 图中的电机本体为三相电机。 三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器
3、件连接， 位置传感器的跟 踪转子与电动机转轴相连接。 当定子绕组的某一相通电时， 该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相 互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信 号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随 转子位置的变化而按一定的次序换相。 由于电子开关线路的导通次序是与转子转 角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 因此，所谓直流无刷电机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关 线路、永磁式同步电机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如 图 2-1-2 所示。 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告 3 图 2-
4、1-1 直流电动机的工作原理图 直流电源电动机 位置传感器 开关电路 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。 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告 4 图 2-1-3 直流无刷电机基本结构图 直流无刷电机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序 和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功 率逻辑开关单元是控制电路的核心
5、， 其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配 给直流无刷电机定子上各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。而各相绕组 导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。 但位置传感器所产生的信 号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元， 往往需要经过一定逻辑处理后才能 去控制逻辑开关单元， 综上所述， 组成直流无刷电机各主要部件的框图， 如图 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，一般的永磁式直流电机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是 在电机气隙中产生磁场。 其电枢绕组通电后产生反应磁场。 由于电刷的换向作用， 使得这两个磁场的
6、方向在直流电机运行的过程中始终保持相互垂直， 从而产生最 大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电机为了实现无电刷换相，首先要求 把一般直流电机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流 永磁电机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子 上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场 相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了 由定子和转子组成电机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开 关共同构成的换相装置， 使得直流无刷电机在运行过程中定子绕组所产生的的磁 场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，
7、在空间始终保持在（/2）rad 左右的 电角度。 下面以图 2-1-1 所示电路对直流无刷电机工作过程作简要说明。 设三相桥式逆变器采用“120导通型”通断规律。即：每隔 1/ 6 周期（60 电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通 120电角度。各功 率管的导通顺序是 V1V2、 V2V3、 V3V4、 V4V5、 V5V6、 V6V1、。 当功率管 V1 和 V2 导通时，电流从 V1 管流入 A 相绕组，再从 C 相绕组流出，经 V2 管回到 电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转 矩则为负，它们合成的转矩如图 2-2-1（a）所示，其大小为
8、Ta，方向在 Ta 和 3 Tc 的角平分线上。当电机转过 60后，由 V1V2 通电换成 V2V3 通电。这时， 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告 5 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Ta。但合成转矩 Tbc 的方向转过了 60 3 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Ta 不变。图 2-2-1（c）示出了全部合成转矩的方向。 3 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；
9、 （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。 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告 6 图 2-2-3 各相绕组的导通示意图 2
10、.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
11、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。 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告 7 图 2-4-1 定子内径 Da 与单位转速输出功率 PN/nN 的关系 根据已知条件计算得 (1) 41 80 0.8 10 kW (r/ min) n1000 N N P 从图 2-4-1 的曲线对比，取
12、 Da=3.4cm=34mm。 (2) 电磁负荷的选择 (2) 4 2 ND aa 6.1 10Pk D L BAn 式中 Da定子铁心内径（cm）； La定子铁心长度（cm）； kD考虑电机内部压降等因素影响的小于 1 的系数； PN额定功率（W）； B磁负荷(T)； A电负荷（A/cm）； 极弧系数； 电机效率； n电机额定转速（r/min）。 由式 （2） 可知， 电负荷 A 与磁负荷 B 的选择与电动机的主要尺寸直接相关。 同时，A、B 的数值与电动机的运行性能和使用寿命也有密切关系，因此必须全 面考虑各方面因素，才能正确选择 A、B 的数值。 一般来说， 选用较高的磁负荷 B 可以节
13、约有效材料、 缩小电机体积。 但是 B 过高会产生以下一些不利影响： 1）将增加转子和定子铁心饱和程度，特别是定子齿中的饱和更为强烈，于 是空气隙及电动机定子磁路所需的磁感应强度增高， 势必要求高性能的磁钢和导 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告 8 磁材料，其价格随之上升。 2）因为单位体积的铁耗近似地与铁内磁感应强度的平方成正比，所以 B 的 增大将使电机的铁耗增加，导致电机的效率降低，同时也使电机的温升增高。 同样，选用较高的电负荷 A 也可以节约有效材料、缩小电机体积。但是 A 过高会产生以下一些不利影响： 1）定子绕组的去磁作用的影响比较显著，导致工作特性变差。 2）在定子绕组电流密
14、度不变的条件下，这将增加定子槽内导线，从而增加 了定子绕组的用铜量、铜耗和温升。 电机的电负荷 A 和磁负荷 B 与定子内径 Da 有关， 根据已生产电机的经验数 据可以绘制成曲线，作为设计时参考。图 2-4-2 和图 2-4-3 分别表示 B 级绝缘直 流电机的 A、B 的经验值和 Da 的关系。 由 Da=3.4cm，根据图 2-4-2 和图 2-4-3 预取 A=130A/cm，B=0.6T。 图 2-4-2 电负荷 A 与定子内径 Da 的关系 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告 9 图 2-4-3 磁负荷 B 与定子内径 Da 的关系 (3) 定子铁心长度 L 的确定 从式（2），可
15、以得到转子磁钢计算长度 La 的表达式为 (3) 4 ND a 2 a 6.1 10Pk L BADn 图 2-4-4 计算极弧系数与转子外径 Da 的关系 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告 10 由 Da=3.4cm，根据图 2-4-4，参考以往经验值，预取=0.9。 预取系数，效率，根据式（3）计算得 La=6.8cm。 0.8 D k0.7 所以，铁心长度 L=La=6.8cm。 (4) 转子长度与直径的比值 从式（2）可以看出，在同样给定条件和选定的 A、B 和数值下，是 2 aa D L 一定的。因此，如果把 Da 选得大一些，La 必定小一些，电机就比较粗短 ； 反之， 如果把
16、Da 选得小一些，La 必定大一些，电机就比较细长。电机的这个几个形 状关系可用电动机计算长度与定子内径的比值来表示： (4) a a L D 由 Da=3.4cm，La=6.8cm，代入式（4）计算得。 a a 2 L D (5) 定子铁心外径的选择 表 1 直流电机的标准定子外径 (mm) 78.310.210.61213.816.219.521.0 24.529.432.736.842.349.356.065.085.0 99.0120150180215285315350380 由定子铁心内径 Da=3.4cm=34mm， 技术要求机壳外径， 根据表 1 42Dmm 可以选择定子铁心外径 D1=36.8mm=3.68cm。 2.5 磁路计算 (1) 极数的选择 我们已知，在转子外径、长度和气隙磁感应强度确定后， aa 2pBL D 沿定子圆周的总磁通为一定值。增加极对数 p
