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1、前 言 人类在进入工业化社会之后，大量使用地球上石油、煤等化石能源，空气中的二氧化碳和二氧化硫急剧增加，造成了酸雨蔓延和温室效应，特别在二十世纪后期，酸雨大面积扩展，几乎蔓延至所有国家，“厄尔尼诺现象”、“主尼拉现象”频繁出现。酸雨造成农作物减产，大片森林死亡;温室效应给工农业生产和人民生活造成的损失，无法估量。目前，发展中国家的空气还在进一步恶化，我国作为世界上最大的发展中国家。环境问题已经引起党和国家以及人民群众重视。 随着我国改革开放的深入，人民的生活水平日益提高，在家用轿车还没有普及的情况下，摩托车和燃油助动车得以广泛使用，这给我国城市的环境问题带来很大压力，例如在上海市，1995年中
2、心城区内机动车的一氧化碳、非甲烷有机物和氧化氮排污负荷分别占该区域内相应的排放总量的76%、93%和44%;一些城市如上海、广州、合肥、济南等，己相继出台政策法规，停止有限量核发摩托车和燃油助动车的牌照。因此，研制生产出一种无污染、低噪声的交通工具来替代摩托车和燃油助动车，已是时代的需要。电动自行车正是在这样的呼唤下，逐步走进人们的生活中。 电动自行车与摩托车、燃油助动车相比较，它具有突出的优点: 为了解决燃油车对环境造成的严重污染和缓解日益突出的能源危机，许多国家都在寻找替代燃油机车的交通工具。相继开发了以天然气、甲醇为燃料的交通工具，相比之下，电动车以零污染、高效率、低噪音的特点被认为是真
3、正的“绿色”交通工具，而电动汽车受到机电、电池的限制，批量进入市场还有一定的难度，电动自行车却得到迅速的发展。 中国是一个自行车王国，据报道全国自行车拥有量为4.5亿。随着我国城市化进程加快，用电动自行车替代摩托车、燃油助动车和自行车，一方面可以缓解城市中大气污染问题，另一方面也可以提高人们的生活节奏，因此电动自行车的社会需求市场巨大，据专家预测，本世纪初，我国电动自行车年需求量将达到100万辆以上。 目前，我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为24V、36V或48V，功率在150W-400W之间;蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为12Ah
4、，充电时间在3-8小时左右，充电一次行驶里程约50Km左右;车速低于20Km/h，爬坡能力在4度上下;车型有普通型和豪华型，车重约35Kg，载重量约75Kg，一百公里耗电量在1kwh. 由于电动自行车的诸多优点，市场需求量大，因此电动自行车在未来的发展潜力比较大;但是目前市场上的电动自行车还或多或少存在一些不够完善的地方。使用有刷直流电动机容易解决电压的换向问题，但是噪音大，而且碳刷容易磨损、损坏，增大维护、维修难度、增加使用成本;使用位置传感器，容易解决直流无刷电机换向时，转子的位置检测，但是增大了电机的设计、制造、安装的难度和电机的体积，也增加成本。 因此，本课题主要任务是利用现代电力电子
5、技术来解决无刷直流电机换向问题，从而解决电动自行车控制、驱动中不完善的地方。 本论文主要内容包括: l、介绍了无刷直流电动机的主体结构和具体工作原理，在给定的技术要求的基础上设计作了电机电磁设计，位置传感器选择，驱动系统设计用到了较先进的PWM控制等工作。 2、根据查阅的各种相关资料，对电动自行车的最新发展动向进行了简述，并在此基础上对电动自行车用电机的发展进行了展望和对研究中要注意的问题作了简要总结。目 录摘 要 Abstract第一章 绪论51.1 无刷直流电机在电动自行车上的应用概况51.2简易发展史和原理方框51.3电动自行车用永磁电机的性价比因素61.4设计方法初探7第二章 自行车用
6、无刷直流电动机的结构和原理基本设计92.1无刷直流电动机的基本结构92.2.1电动机的本体102.2.1位置传感器102.2.1电子换向线路162.2无刷直流电动机的原理与基本设计162.2.1无刷直流电动机的工作原理162.2.2电枢绕组的连接方式192.2.3换流线路基本设计202.2.4绕组连接方式、相数、槽数的选择202.2.5位置传感器的设计222.3无刷直流电动机的运行特性232.3.1无刷直流电动机系统的组成232.3.2系统方程式242.3.3运行特性分析262.4 电动自行车用电动机简易数学模型26第三章 无刷直流电动机的电磁设计293.1磁路系统的设计303.1.1磁路结构
7、与等效磁路图303.1.2磁钢的最佳工作点与稳定方法313.2电枢反应333.3.1直轴电枢反应333.3.2交轴电枢反应343.3.2电枢反应总结353.4电磁设计程序清单35第四章 自行车用无刷直流电动机的电子线路设计444.1设计概述444.2线路基本工作原理454.3线路设计实施方案45第五章 有待深入解的几个问题505.1转矩的脉动的分析515.2最佳换向问题515.3更佳的无位置传感无刷电机简述525.4一个先进的控制算法525.5控制系统电路抗干扰问题52致 谢54参考文献56附录 A 无刷直流电动机总装图 B 定子冲片图 51无刷直流电动机的设计摘 要：无刷直流电动机是近年迅速
8、兴起的一种新型电机，它广泛应用与工业，无刷直流电动机是近年迅速兴起的一种新型电机，它广泛应用与工业，农业，以及军事等领域。 无刷直流电动机既保持了直流电动机良好的调速控制特性，又消除了电刷和换向器的机械接触对新型电动自行车的关键动力部件-直- I -流无刷电机作了深入的剖析与设计。本文所介绍的电动自行车使用的直流无刷电机，采用电子操纵系统，电动自行车的最高时速可达25km/h，一次充电行程为64km。电电机的功率为220kw，得6kg,效率可达到85,有更小的损耗和杂音.本文提到的电机是方波无刷直流电机，所以也涉及到了其PWM控制器的设计。性能综合指标优于传统的以有刷电机为动力的电动自行车。
9、关键词：无刷电机；位置传感器；PWM控制器The design of D.C.Motor without coal brushless ABSTRACT: Brushless DC motor is rapidly development new motor in the recently, and it widely used in industry、agriculture and in the army. The better governing speed characteristic is kept and the mechanical touch between brushes an
10、d commutator is removed as well in brushless DC Motors.This paper intends to make a better design on the D.C.motor, the key part of the new style electric bicycle, after the detailed analysis. The D.C.motor without coal brushless is in a new style, with higher work rate, less wear and tear and lower
11、 noise. This kind of motor discussed in this paper, is operated with electronic system completely, in the speed of 25km per hour, covering the distance of 64km each time it is charged. The motor is 6kg in weight, with the power of 350w and voltage is over the normal levels in the rate close to 85. T
12、his kind of motor discussed in this paper also a brushless DC square wave motor. So the design method of controller is also introduced, The comprehensive index of the functions of this kind of motor is much better than of all the traditional ones with coal brushes. Keywords：Brushless Motor; position
13、al sensor; PWM controller 第一章 绪 论1.1无刷直流电机在电动自行车上的应用概况随着我国改革开放的深入和社会生产力的发展，人们生活节奏的加快，活动范围的不断扩大，人们希望获得一种轻便快捷、简单安全的交通工具。前几年，人们选择了燃油助动车，但由于燃油助动车采用小容量二冲程汽油发动机为动力，其废气排放浓度是一般轿车的35倍，其污染问题引起了社会各界和主管部门的高度重视。在上海、苏州等大中城市，于1996年便开始禁止燃油助动车上牌照。而电动自行车因为轻便、快捷，适应了现代人追求环保、效率、安全的需要，所以受到了广大消费者的普遍欢迎，得以再度兴起。 1998年我国电动自行车
14、的年产量约 6万辆 1999年产量翻番达到 13万辆，主要生产集中在华北地区。进入2000年以来，不少地区的销售情况也十分喜人，市场前景广阔。电动自行车并不是简单地在自行车上加上电池和电动机，而是包括电池、控制系统、传动系统、电机四大块，并已采用了很多的新技术和新材料。单从其驱动装置电机来看就有很高的技术含量。电动自行车的电机经过十多年的发展，曾经有变频电机、开关磁阻电机、有刷直流电机、无刷电机等多种驱动方案。经过市验证目前较为成熟的有两大类：一类是带减速齿轮的有刷电机，别外一种是不带减速齿轮的直接驱动的无刷直流电动机。在本文中我们主要讨论比较先进的后一种电动自行车的驱动方案：不带减速齿轮的直
15、接驱动的无刷直流电动机。12 简易发展史和原理方框直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起未的，它是以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电于技术、数字技术和各种机械原理为后盾，因此具有很强的生命力。1955年，美国 D哈利森等人首次申请用晶体管换向电路代替电动机电刷接触的专利，即无刷直流电机的雏形。经过多年的努力，人们终于在 1962年试制成功了借助霍元件来实现换流的直流无刷电动机。随着比霍尔元件灵敏度高千倍左右的光敏二极管的出现，在20世纪80年代前后，又试制成功了借助光敏二极管实现换流的直流无刷电机。在德国N米斯格林提出采用电容移相换流的方法基础之上，R哈尼特司等人试制成功借助数字式环分配器和过零鉴别器组合来实现换流的无附加位置传感器的直流无刷电动机。 稀土永磁无刷电动机效率高，性能好，体积小，重量轻，安全可靠，无需维修，寿命长，因而已经被广泛地应用在数控机床、航空航天、计算机外围设备等高科技领域中。现代的无刷直流电动机，其构造实际上是1台永磁式步进电动机(一种水磁式同
