小型電動(dòng)清掃車驅(qū)動(dòng)用無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)概述

李賡

【摘 要】首先在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，掌握無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和特性，尤其是各種類型的位置傳感器、電樞線圈和電子換向線路的組合方式，以及不同換流方式，為下一步的建模和仿真奠定良好基礎(chǔ)；其次，根據(jù)小型電動(dòng)清掃車的技術(shù)參數(shù)和要求，構(gòu)建小型電動(dòng)清掃車無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，在電磁場仿真軟件Maxwell平臺下展開對設(shè)計(jì)方案靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的仿真研究；第三，根據(jù)仿真結(jié)果，給出方案設(shè)計(jì)的建議和意見。

【關(guān)鍵詞】無刷電機(jī)；換流方式；電子換向線路；Maxwell平臺

【Abstract】First of all， on the basis of sufficient investigation and research， master the structure， working principle and characteristic of brushless motor， especially the combinations of the various types of position sensor， an armature coil and electronic commutation circuit， and changing flow， lay a good foundation for the next step of modeling and simulation； secondly， according to the technical parameters and requirements of a minitype electric sweeper construct small electric cleaning vehicles no brush DC motor drive system simulation model， launches in the electromagnetic simulation software Maxwell platform to design scheme of static and dynamic performance simulation research； third， according to the simulation results， design suggestions and opinions.

【Key words】Brushless motor； Commutation mode； Electronic commutation circuit； Maxwell platform

1 研究背景

1.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)

無刷直流電動(dòng)機(jī)是近年來隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電動(dòng)機(jī)，它是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和軍事裝備中重要的機(jī)電元件之一。無刷直流電動(dòng)機(jī)是以法拉第的電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，而又以新興的電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和各種物理原理為后盾，因此它具有很強(qiáng)的生命力。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活永平的提高。對電機(jī)的性能提出了許多新的更高的要求。而無刷直流電動(dòng)機(jī)的問世和不斷完善，以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，為滿足這些要求提供了可能。

無刷直流電動(dòng)機(jī)是最近發(fā)展起來的結(jié)合了多學(xué)科技術(shù)的一種新型電機(jī)，其最大特點(diǎn)就是沒有換向器（整流子）和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)。加之，它通常采用永磁體為轉(zhuǎn)子，沒有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組又通常裝在外面的定子上，這樣，熱阻較小，散熱容易。結(jié)合機(jī)電一體化，具有高速度、高效率、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高熱容量和高可靠性、無換向火花等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有低噪聲和長壽命等特點(diǎn)。

眾所周知，有刷直流電動(dòng)機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的電樞和固定的磁場。因此，有刷直流電動(dòng)機(jī)必須有一個(gè)滑動(dòng)的接觸機(jī)構(gòu)——電刷和換向器，通過它們把電樞流饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。無刷直流電動(dòng)機(jī)卻與前者相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電流。這樣，電子換向線路中的功率開關(guān)元件，如晶體管或可控硅等可直接與電樞繞組連接。

另外，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)，裝有一個(gè)位置傳感器，用來檢測主轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的位置。它與電子接向線路一起，代替了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置。

綜上所述，無刷直流電動(dòng)機(jī)由下列三大部分組成：（1）電動(dòng)機(jī)本體——帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子；（2）位置傳感器；（3）電子換向線路。

與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展。數(shù)值計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的不斷完善，經(jīng)過電機(jī)學(xué)術(shù)界和工程界的共同努力，在無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面都取得了突破性進(jìn)展，形成了一整套分析研究方法和計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)軟件。

1.2 小型電動(dòng)清掃車驅(qū)動(dòng)用電機(jī)的選型

由于最終電動(dòng)清掃車需要批量生產(chǎn)，所以它的驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要具有結(jié)構(gòu)簡單，適合大批量生產(chǎn)，使用維修方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。目前，市場上滿足以上需求在電動(dòng)汽車上己經(jīng)使用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)大致分為：直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和新型的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。

直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在早期的電動(dòng)汽車和需要結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)力性要求較低的電動(dòng)汽車中得到了廣泛運(yùn)用，特別是一些場地專用電動(dòng)車如：清掃車、觀光旅游車、巡邏車等。換向器限制了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，還有換向器和電需要定期維護(hù)，從而限制了直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有效率高、功率較大、轉(zhuǎn)速快、可靠性高及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，使得它在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域占有很大比例。但是其控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，導(dǎo)致控制成本相對較高，在一定程度限制了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在低成本電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。

永磁電動(dòng)機(jī)具有效率更高、高轉(zhuǎn)速、可靠性好、體積小、質(zhì)量輕、便于維修及采用矢量控制的調(diào)速系統(tǒng)使得它具有較寬廣的調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn)，使得它在電動(dòng)汽車領(lǐng)域以后的發(fā)展空間比較大。但是永磁材料在惡劣工況下容易產(chǎn)生磁性衰退現(xiàn)象，以及永磁材料目前價(jià)格比較高，這些缺點(diǎn)限制了永磁電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種新型的電動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性好、調(diào)速范圍廣及控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。但是它的調(diào)節(jié)性能和控制精度要求較高、工作噪聲較大、技術(shù)還不完全成熟，這些缺點(diǎn)限制了開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。

綜上所述，考慮到電動(dòng)清掃車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對較低，工作時(shí)振動(dòng)頻繁、噪聲大、揚(yáng)塵多，生產(chǎn)成本、維修方便等因素，本文選擇直流電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)清掃車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2 研究內(nèi)容

小型電動(dòng)清掃車驅(qū)動(dòng)用無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究。其中最主要的就是其結(jié)構(gòu)和原理。而結(jié)構(gòu)和原理中最重要的是各種類型的位置傳感器，電樞線圈和電子換向線路的組合方式，以及不同換流方式。無刷直流電動(dòng)機(jī)，按照它們的工作特性，基本上可以分為兩大類：

（1）直流電動(dòng)機(jī)物性的無刷直流電動(dòng)機(jī)。這類電動(dòng)機(jī)由直流電源供電，借助位置傳感器所檢出的信號去觸發(fā)對應(yīng)的電子換向線路以實(shí)現(xiàn)無接觸式換流。很顯然，這種無刷直流電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行特性。

（2）交流電動(dòng)機(jī)特性能無刷直流電動(dòng)機(jī)。這類電動(dòng)機(jī)也由直流電源供電，但通過逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟?，然后去?qū)動(dòng)一般的異步電動(dòng)機(jī)，所以，它具有異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)的很多運(yùn)行特性。

嚴(yán)格說來，只有具有直流電動(dòng)機(jī)的特性才能稱為“無刷直流電動(dòng)機(jī)”。

我們研究的是一種應(yīng)用于電動(dòng)自行車上現(xiàn)的無刷直流電動(dòng)機(jī)。它主要是完成以下的設(shè)計(jì)內(nèi)容：

（1）無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案；

（2）無刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；

（3）主要零部件圖的繪制；

（4）說明書。

它的要求主要是技術(shù)方面的要求如下：

Un=48v Nn=1500r/min ηn=85% Pn=1.8kw

論文研究的是應(yīng)用于小型電動(dòng)清掃車上的無刷直流電動(dòng)機(jī)，它要求小巧，質(zhì)量輕而功率要達(dá)到預(yù)定的要求。還有我們要適當(dāng)?shù)倪x擇電磁參數(shù)，以便滿足電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，例如起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度以及效率等。電力自行車是電瓶供電， 所以我們需要電機(jī)的效率高來達(dá)到省電的目的。同時(shí)我們在設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸來達(dá)到與電機(jī)配套產(chǎn)品合適安裝的目的。

3 研究方法、步驟和措施

采用以下幾種方法對無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，可以得到令人滿意的結(jié)果。大功率無刷直流電動(dòng)機(jī)除采用直流電機(jī)設(shè)計(jì)方法外，還可用交流同步電機(jī)理論和設(shè)計(jì)方法對其進(jìn)行分析，這是因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)本體是一臺永磁同步電機(jī)，采用同步電機(jī)理論分析中的矢量方法，可反映出無刷直流電動(dòng)機(jī)本身的一些內(nèi)部特性，從而可得到功率因數(shù) 定子漏抗、交、直軸電抗等參數(shù)。對于方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)，計(jì)算電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩等性能時(shí)，可以利用電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的周期性，在某一換向周期內(nèi)，對應(yīng)具體的驅(qū)動(dòng)方式。建立正確的數(shù)學(xué)模型，并采用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算。

4 主要研究步驟

4.1 進(jìn)行方案選擇

整個(gè)電機(jī)的設(shè)計(jì)分為多個(gè)不同的部份和環(huán)節(jié)，其中不同的環(huán)節(jié)我們可以用不同的方法來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)的最開始，我們就必須根據(jù)性能要求，電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性，其的工藝性，甚至社會(huì)性進(jìn)行方案的選擇。

4.2 按照所選方案進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)計(jì)算

在電機(jī)的設(shè)計(jì)方案確定后，再根據(jù)電機(jī)的性能要求進(jìn)行數(shù)據(jù)方面的計(jì)算其中包括電磁設(shè)計(jì)和所用材料的性能校核來檢驗(yàn)方案的合理性和為后一步的具體技術(shù)方面設(shè)計(jì)準(zhǔn)備依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 按照設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行具體技術(shù)方面設(shè)計(jì)

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，我們必須進(jìn)行具體的電機(jī)各個(gè)部份零件的尺寸，材料和各零件的加工工藝的確定。其中包括電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各部分所選用材料設(shè)計(jì)。必須給出電機(jī)的主要零部件圖，電機(jī)的裝配圖，必要的話還要給出電機(jī)所用材料的性能數(shù)據(jù)圖。

4.4 樣機(jī)的試制和實(shí)驗(yàn)

在完成各部份的設(shè)計(jì)工作后，可以生產(chǎn)出樣機(jī)來進(jìn)而對設(shè)計(jì)工作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，可以檢查電機(jī)是不是達(dá)到了課題要求的性能，如沒有達(dá)到就必須進(jìn)行必需的設(shè)計(jì)改動(dòng)。再一次重復(fù)前面的工作。

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[責(zé)任編輯：湯靜]