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1、水下推动电机1. 交流、直流电机原理简介交流电机大体可分为同步电机和异步电机。同步电动机是由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场互相作用而产生转矩,以同步转速旋转的交流电动机。转子转速与定子旋转磁场的转速相似的交流电机。其转子转速n与磁极对数p、电源频率之间满足n=60p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定期，转速不变，且与负载无关。感应电动机又称“异步电动机”,即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一种转动力矩，转子是可转动的导体,一般多呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分，重要任务是产生一种旋转磁场。旋转磁场并不是用机械措施来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中,使其磁极性质循环变
2、化,故相称于一种旋转的磁场。直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将变化，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也变化，产生的洛伦兹力方向不变，因此电机能保持一种方向转动。2. 电机选用一般来说,水下电机既是系统的驱动,同步又作为系统自身的负载存在，因而在实际应用中，总是但愿水下电机具有较高的功率密度,以此来满足水下电机的小型化、轻型化规定，同步规定电机效率高，出力大,动态响应好,安全性高等特性,并具有一定限度的容错性。交流感应电机构造简朴、运营可靠,但是调节性能差；而直流电机具有良好的调节性能和启
3、动性能。但是有刷直流电机的电刷造价高，并且容易产生换向火花,换向时会产生电磁干扰,并且可靠性也不够高。2世纪五六十年代,微电子器件和电力电子器件的发展使得电子换向取代了机械换向，从而使有刷电流电机变成了直流无刷电机（C )。稀土永磁电机具有构造简朴，运营可靠;体积小，重量轻；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多样等长处,应用极为广泛。而永磁直流无刷电机的特点是可控性好，调速范畴宽;可靠性好,工作寿命长；采用永磁体产气愤隙磁场，功率因数高,转子损耗小,效率较高;具有电子控制部分和电子多相逆变器。这些特点刚好满足水下电机的性能规定，现阶段国外水下推动器普遍采用这种电机，功率级别也在逐渐提高。3.
4、直流无刷电机直流无刷电机重要由定子、转子和位置传感器加电子换相电路三部分构成。其构造原理转子为永磁磁钢，电枢绕组分布在定子上，通过位置传感器和电子开关电路(电子换相)使定子产生的磁场和转子的磁场始终保持垂直，从而产生最大转矩带动转子不断地旋转。4.电子换向过程和转动控制原理定子绕组采用三相绕组星型连接,电子换向电路采用三相全桥电路。两相导通星形三相六状态的换向过程如下:(1)t=o时,图31中功率开关晶体管1, 6导通,电流方向从电源正极流出经晶体管1,U，,6，流向电源负极;(2) to时,功率开关晶体管1, 导通，电流经正极,晶体管1,，,流向电源负极;(） t=12时，功率开关晶体管,导
5、通,电流经正极,晶体管3,，W，5流向电源负极;(4) t=180时，功率开关晶体管3,4导通,电流经正极,晶体管3，V,4流向电源负极；(5 ) t=2o时,功率开关晶体管2,4导通，电流经正极，晶体管2,W,U，4流向电源负极;()t=300o时,功率开关晶体管2，导通，电流经正极,晶体管2，,V,流向电源负极；(7) =30o时，反复t0o状态。三相星型桥式连接电路位置传感器是构成无刷直流电动机系统的三大部分之一。转子位置传感器在直流无刷电动机中重要有两个作用，一是检测永磁体与定子电枢的相对位置，以便拟定电子换向驱动电路中功率晶体管的导通顺序;二是拟定电子换向电路中功率晶体管的导通角,拟
6、定电枢磁场的磁状态。常用的位置传感器有电磁式、磁敏式、光电式、磁阻元件等类型。这里可以选用磁敏式位置传感器,它由霍尔元件或霍尔集成电路构成。霍尔集成电路具有无触点、低功耗、长使用寿命等特点，采用塑封材料包封成一体化，能在各类恶劣环境下可靠地工作。对于二相导通三相六状态电机,需要3个霍尔传感器。为使电机构造紧凑，用电机本体的端部磁场作为霍尔转子位置传感器的转子,运用电机的定子铁心作为霍尔转子位置传感器的定子铁心。功率开关器件的导通角为12o。电子换向器由控制器来控制，同步控制器还可以控制电机的启动与停止,正反转,转速的调节,过压过流欠压等保护。下面是控制器的一种实现方式：其中微控制器PIC18F
7、XX31控制Q0-Q构成的驱动电路按照一定的时序为LDC通电，根据电机电压和电流的不同可以选择不同的驱动电路,如MOSFT、IGBT或者直接使用双极性三极管。驱动示意图假设驱动电压和电机运营时的电压相等(涉及驱动电路自身的损耗）,当PWMx按照给定的时序开和关时无刷电机将会以额定的转速旋转。为了调速，我们使用远高于电机运转频率的PWM波驱动电机,一般我们需要至少1倍于电机最高频率的PWM驱动波形。当驱动波形的占空比变化时，使得其在定子上的有效电压变化,这就实现了无刷电机的调速，此外,当驱动电源电压高于电机自身的额定电压时,我们可以调节PW的占空比来使得驱动电源电压适合电机的额定驱动电压。可想而
8、知,我们可以使用同一种控制器去挂接不同额定电压的电机,此时只需要用控制器变化一下PWM的占空比就行了。另外尚有一种控制方式：当微控制器的PW输出不够用时,可以在整个通电时序内将上臂始终导通(即上臂不使用PWM)而下臂使用PWM驱动。5. 基本公式和特性直流无刷电机的基本物理量有电枢绕组的感应电动势、电枢电流、电磁转矩和转速等，这些与气隙磁场分布、电枢电流波形、绕组形式有密切的关系，稀土永磁无刷直流电机可做成均匀气隙，使空载气隙磁场波形获得近似的梯形波,其平顶宽度应不小于120o电角度，以获得较大的电磁转矩。两相导通星形三相六状态的永磁无刷电流电机基本公式如下： (5.1）式中,B为导体所在电枢
9、表面位置的气隙磁通密度; 为导体有效长度；V为导体相对于磁场运动的线速度。 (） 式中,p为极对数;为极距;n为电机转速(r/min)。每相绕组的感应电动势为: (5.) 式中,为电枢绕组每相串联匝数。将式（5.）、（5.2)带入式(5.3)得 (5.）气隙磁场相应每极磁通为 (5.)式中，为极弧系数每项绕组感应电动势为： (5.6)用上式计算电势时,是把气隙磁场视作矩形波,而事实上气隙磁场为梯形波，因此应当再乘以一种波形修正系数。电压平衡方程为： (5.7)式中,为电源电压； 为开关晶体管压降; 为每相绕组电阻。绕组相电流： (.8)平均电磁转矩 （5.9） 根据式(5.）（.7)可得抱负空
10、载转速 （5.10）. 案例简介假设电机重要指标如下（1)额定功率：P=500(）(2)额定电压:48()()额定转速:nN400(r/m)(4)相数：3相(5)连接方式：星型假设规定水下推动器外径在20cm左右。因此取机壳外径(c)预取电机效率对于持续工作状态的小功率电机,其计算容量根据公式有式中，为电枢直径（cm); 为电枢铁心计算长度（m）; 为电动机的额定转速(rin） 40 (r/in ） ; 为计算极弧系数，0.; 为磁场波形系数, 1.11; 为绕组系数,0.98； A为线负荷，一般取50150 (/cm),特殊状况下可以取20030 (A/m）设计的电机在水下工作,散热条件良好
11、,故此处取A 50(Acm) ；为气隙磁通密度()，由于采用钕铁硼永磁体，此处取0.8 （)。取=7.8（c)时，电枢铁心计算长度为（cm)取3.0 (m)定子方面的参数定子冲片材料:W3-硅钢片磁极数：2（这里P=10）齿数:Z (这里齿数选的是Z）定子铁心外径:aj=0（cm)定子铁心内径：17.8 (cm)定子铁心长度：=.(m)槽外圆直径:D119.0(cm)槽内圆直径：DZ=18.0 (c)齿高：极距(m）齿距齿宽式中,. ()；180 （）;0.5（T)取齿宽=.7（cm）齿高:槽开口：b0.1 (cm）电枢铁心轭部高度:式中， =1.70（T)取电枢轭部高度0.50（cm)工作气
12、隙取=008(c）电枢铁心轭部沿磁路方向一对磁极的平均长度:槽下底宽:槽上底宽：槽截面积:转子方面的参数转子磁轭部铁心冲片材料: D315-5硅钢片转子磁轭铁心冲片的外径：DR=184 (m）转子磁轭铁心冲片的内径:= (m）转子磁轭冲片铁心的长度:=3.0 (cm)转子磁轭冲片的高度:hj=0.62 (cm)转子磁轭铁心沿磁场方向一对磁极的平均长度:转子外径(永磁体外径）:DR17.64 (m)转子长度(永磁体轴向长度)：=3.0(m)转子永磁体极弧宽度:bM=2.4 (cm) 转子永磁体极弦宽度:b2.392 （cm)转子永磁体的中性截面积: 转子永磁体沿磁场方向的厚度:hm=0.4 (cm)转子永磁体沿磁场方向一对磁极的平均长度:M=2=.8 (c) 定子电枢齿槽部分尺寸 电机定子转子铁心和永磁体 电机装配体 网上产品简介粗略的额定转矩可以根据公式:TN=950PN/nN 计算得到,其中TN是额定转矩，单位是N.(牛顿.米) 90是常数,是额定功率.自创电机公司产品森创电机公司产品配套驱动器BL-203网上直流无刷电机差不多都是只有上面图中所提到各项电机参数。
