1、完整版无刷电机的设计最终版9-10 直流无刷电机的设计9-10-1 直流无刷电机的概述直流电机有无可伦比的优点， 体积小，重量轻，结构简单， 速度变化范围大， 供源简单， 移动方便，价格低廉，制造简单，工艺性好等等，是我国用量最大的一种电机。但是直流电机由于换向的需要， 因此必需要由电刷和换向器来换向。 由于换向器和电刷 的作用，就给电机带来各种不良的影响， 如噪声， 电刷运行寿命， 电机干扰和电机本身体积 等问题。直流电机最大的缺点是电机寿命远远不如交流电机，交流同步电机等等无刷电机。交流电机， 交流同步电机是交流供电的， 由于用的是交流电源， 在 50HZ 的交流电源中， 一对极的交流异步
2、电机的同步理论转速是 : n 60 f 60 50 3000 r/min ，在交 p1流同步电机中的同步转速也应该为 3000 r/min ，如果把电源的频率调高或调低，则电 机的工作转速也可以很高或者较低的。 但这个电机的供源是交流电， 如果把直流电源通过电 路的转换， 变成可以交变的波形供给交流电机或交流同步电机， 那么交流异步电机或交流同 步电机也可以很好的转动起来的，这就是直流无刷电机的最直观的概念。要把直流电转换成单相或三相交变电源， 在上世纪中叶还是一个非常麻烦的事， 那时只 有电子真空管，体积很大，输出电流很小，那时台式收音机就有 12 英寸的电视机那么大， 无法和现在手指那么大
3、的 MP3 相比拟。后来发明了半导体和相应的各种半导体技术使电子 控制技术推向了一个新纪元。 各种电源逆变， 分配技术， 换相技术的相继出现， 许多高性能， 高功率的半导体器件的研制成功， 从而使电机领域出现了机电一体化的步进电机， 直流无刷 电机，并迅速在各个领域得到了广泛的应用。当出现了永磁直流无刷电机后， 就体现了它强大的生命力， 永磁直流无刷电机有许多优 点，如干扰小， （ 电路部分有一定的电磁干扰的 ），运行寿命长，调速性能好，控制方法多， 输出力矩大，过载能力强，调速范围宽，起动响应快，运行平稳，效率高等。永磁无刷直流 电机有许多交流异步电机， 步进电机和直流电机不具备的优点。 它
4、广泛应用于办公机械， 电 脑，音响，通风行业，自动控制，仪器仪表，汽车，国防工业等等领域，特别一提的是，在 电脑中，光驱动器，硬盘， DVD 等大量用了非常精密的形式不一的永磁无刷直流电机，目 前社会上人们所骑的电动自行车上的电机绝大都数是采用了永磁直流无刷电机， 这个量非常 可观， 这些也是用得最广泛， 生产量最多的直流无刷电机。 永磁直流无刷电机已经在时刻影 响着人们的生活，在左右人类的生活的历史。随着控制器的小型化， 模块化， 以前做得较大的控制器现在可以做得更小， 有的可以和 电机做在一起， 使永磁无刷电机使用起来那么方便， 那么的得心应手。 许多永磁直流电机日 益被永磁无刷直流电机所
5、替代。在电机界，研究，开发永磁直流无刷电机是一种新的趋势。 这方面的论著也比以往多起来了。9-10-2 永磁直流无刷电机工作原理从电磁原理看，电机中如果一个永磁多极磁钢的转子 （一对极也可以 ），外面的定子是由相对应极数的线圈组成，定子线圈如果能够产生一个单向的旋转磁场 （不是脉振磁场 ）的话，转子因为该磁场的磁极作用而跟转， 这样电机就可以转动起来， 如果转子上加了个负载， 为 了使转子能够同步转动， 电源必须需供给电机定子更大的电流， 从而产生相应的磁场， 电机 就能作功。 这就是直流无刷电机的电磁原理。 由直流电源产生定子上一个旋转磁场， 要有二 个条件 :定子必需有相应能通过电源分配器
6、能够产生均匀旋转磁场的线圈 把直流电转换成按一定的规律分配给定子相应线圈电能的电源分配装置 因此无刷永磁直流电机必定的由电机和驱动这二部分组成。永磁无刷直流电机的电机有各种各样的结构和形状， 有长圆柱形， 转子是永磁的， 定子 是由象交流电机定子形式一样的， 有隐极的也有突极的， 这种形式是内转子式的， 也有外转 子式的，定子是在里面，转子是在外面，转子上粘着磁钢，最典型的就是我们电脑中 CPU 的冷却风叶电机，更典型的是电动自行车电机，俗称轮毂电机。在电机中，交流三相电机运行是非常好的，三相的电角度相差 120，而交流单相电机经电容移相后组成的二相电机，其夹角不能很好地成 90。在永磁无刷直
7、流电机中，如果能使电机定子产生三相旋转磁场， 让转子平稳地转动， 这是非常好的， 因此许多场合的永磁 无刷直流电机中的定子就用三相绕组的排列方法。实际上， 永磁无刷直流电机电源就是把直流电源变成三相或二相脉冲电源， 最好产生正 弦波提供给电机， 但由于从直流波形产生产严格的正弦波是比较困难的， 现在好多电子交流 稳压器输出的波形还不是严格的正弦波， 波形的失真度较大， 所以小小的动驱动电源是不可 能做到这点的，实际上，方波输出的驱动电源用在永磁无刷直流电机上还是相当的好的。一般的永磁无刷直流电机是定子和定子线圈的排列的方法和分析问题的观点和交流电 机定子基本相似， 转子和交流同步电机转子相似，
8、 驱动电源和步进电机驱动电源相似。 大都 数电机上还增加了转子位置检测传感器。 这是一种机电一体化的电机。 如果读者搞过单， 三 相交流电机， 那么永磁无刷直流电机的定子排线， 分布绝对没有问题， 如果读者又搞过步进 电机的驱动电源的话， 那么对无刷电机的驱动电源也是毫无问题的。 永磁无刷直流电机的主 要尺寸和线圈匝数的设计计算作者会介绍实用的， 比较简单的方法去解决问题的。 所以永磁 无刷直流电机的设计也不是非常困难的，没有搞过无刷电机的也不要有畏难情绪。我们来谈谈如何使电机能够产生一个旋转磁场呢 ?我们可以从交流电机分析着手。三相相交流电机三相波形如下图 :图 9-1-1它们的三相绕组的机
9、角度和电角度都是 120， 为此形成一个旋转磁场。 如果我们能使永磁无刷直流电机的定子波形是上述形式， 转子是多极永磁体组成， 那么运行起来非常好的， 如果这样的定子，去掉转子，在定子内放一颗钢珠，那钢珠也会沿定子内腔壁转动起来的。在电机中有一种叫交流爪极同步电机，它由一个定子线圈产生 N 对磁极，转子是由 N 对磁极组成。 每个相同的极随交流电源的波形同时改变极性。 因此这种电机定子的磁场的脉 振的， 不具有使转子跟转的旋转磁场， 所以这种电机的启动是有问题和相当困难的， 人们想 尽办法使这种结构比较简单的电机能够启动。 家用的微风扇就是这种交流永磁式同步电机的 典型例子。这种电机是人们设置
10、了定子和转子某些极不太对称时形成的相对磁极中心偏所引 起的来回振动， 并对设置的扭簧给予一个逐渐增大的弹力， 当扭簧的反弹力使转子的运行速 度跟上电源的频率变化时， 这样转子就转了起来。 因此开启这种微风扇时， 发现电扇要来回 扭动多次后才能正常工作。 还有许多交流永磁同步电机解决电机启动的办法， 如每个极的小 部分极用短路环罩起来， 使该部分的磁通滞后该极的磁通， 二个磁场的夹角非常小， 不能成 90标准夹角的圆形旋转磁场。 而是产生了非常椭圆形的旋转磁场， 当然这种电机要比脉振 磁场好。这种电机启动力矩小，因为短路环的原因，损耗特别大，因此电机效率很差，又不 能调速，这种电机适用范围小。
11、以上启动方式和运行性能，在高档产品上的不能接受的。因 此永磁无刷直流电机不宜采用这些形式。在现在的电机中有一种叫爪极步进电机 （PM 电机 ），由二个单相爪极同步电机极与极按 一定规律的角度拼接而成，一个与定子极对数相同的永磁体转子，二个线圈可以中心抽头， 也可以不抽头。 如果抽头就形成了 4个线圈， 这 4 个线圈是由驱动电源供电。 驱动电源按一 定规律对线圈供电， 使线圈通电的时间先后， 产生了多极的可以调变速度的旋转磁场， 从而 使转子跟转起来。 因为该种电机运行是按驱动电源分配的脉冲方波一步一步的转动的， 所以 称步进电机，这也可以讲它也是一种永磁无刷直流电机，这种电机也有其自身的缺点
12、。我们是把永磁直流电机的换向器， 电刷去掉， 借以电子控制电机的换向， 达到使转子能 象有换向器的永磁直流电机那样很好地转动， 这种用电子控制直流电机换向的电机我们称为 永磁无刷直流电机。现在称永磁无刷直流电机基本上都是指的以上形式的电机。我们在这一节里， 对永磁无刷直流电机的工作原理进行简要介绍。 我们用三槽永磁 无刷直流电机作个介绍。一般直流电机的定子是有磁钢而且是固定的， 有绕组的转子是转动。 转动是相对的， 如 果我们设定该电机的有绕组的转子不动， 那么相对转子来讲， 有磁钢的定子是以同样的速度 在转动的。一般讲，固定不动的是定子，转动的是转子，因此永磁无刷直流电机的转子，不 管是内转
13、子或外转子都是粘有磁钢的， 而定子都是有绕组而固定不动的。 这一点是永磁直流 电机和永磁无刷直流电机的区别之一。下面是电机需要换向的图 9-10-12 所示 :这个换向工作一般用换向器来完成， 如果用电子控制器来完成， 那么这就是无刷电机了。 我们应该说在 B 图示的位置， 线圈的电流必须开始反向 B 端进入， 这样线圈极性反向， 二个 S极相互排斥， 从而使线圈继续同向运行。 如何使转动的线圈能知道自己已经转到在 B 图示位置， 并指示控制器把电流从 A 端换到 B 端输入呢 ?现在一般的办法是在适当的位置装 有磁场检测元件，这个元件一般用霍尔元件。A. 转子从中心线左边顺 时针运行时电流方
14、向B.转子在中心线时电流 需要换向C.转子从中心线右边顺时针运行时电流已经换 向，这样才能保持同向运 行图 9-10-2当一个金属块进入磁场后其金属的两端会产生一个微小的电位差， 这个效应是霍尔发现 的，所以称霍尔效应。 当霍尔元件刚进入一个磁钢的时候， 应该是线圈中心和磁钢中心重合 的时候，那个霍尔元件的位置就是我们需要检测和控制电子控制器 （分配器 ） 换向的位置。在这个位置， 霍尔元件产生一个微小电压， 经过放大器放大，进入开关元件的控制极，完成导 通或关闭某些开关元件， 从而达到使电机某个线圈的换向的目的。 下图是单极霍尔元件放置位置 :图 9-10-3这个霍尔元件和线圈相对位置必须固
15、定，并且必须与线圈一起转动才行。如果是三槽转子的电机，霍尔元件就应该如下放置 :图 9-10-4 我们看该转子如何连续运行的 :图 9-10-5从上面看，转子旋转 60机械角度时，转子极 B 已经在磁钢 S 极的中心了，此时转子 B 极的 B 线圈就需要换向， 转子再旋转 60机械角度时， 转子极 C 已经在磁钢 N 极的中心了， 此时转子 C 极的 C 线圈就需要换向，因此虽然线圈夹角为 120机械角度和电角度，但是 转子旋转 60角度时，三个线圈的电流状态是相对发生了改变。就是说，电枢绕组的磁势 是以 60步距跳变的，但是转子的运行是连续的。我们必须要说， 这种霍尔元件的放置方法是电机顺时
16、针方向运行， 如果逆时针方向运行 这种方法，在这种二极三槽电机上看要正常运行是很困难的。从上面看一个极的电子换向要一个磁极检测霍尔元件，二个受霍尔元件控制的开关管。 所以在三槽转子 （即转子上有三个极 ）的无刷电机中，有三个霍尔元件，六个开关管和三组线 圈组成。 而三个线圈大都是星形接法， 也有三角形的接法。 以上仅是原理性地解释了无刷电 机的运行原理。 但是这样实现是比较烦的，要实现起来较为复杂， 相关的方面多， 实际工作 中，人们用不同的方法来实现直流电机的无刷电子换向。图 9-10-6无刷电机设计的书多了起来，经常有讲课。读者可以看相关的无刷电机专著9-10-3 永磁直流无刷电机的介绍下
17、图是常用的永磁直流无刷电机的外形图。图 9-10-7图 9-10-8图 9-10-9电机由转子， 定子和换相和检相元件组成。 转子一般可以是外转子或内转子， 转子上多 极块形磁钢或环形磁钢组成。 定子一般是突极或隐极的， 极上有绕组。 在定子上的特定位置 安放位置检测元件控制电机的正常换相， 如现在大多数用的是霍尔元件， 当然光电检测控制 换相也是可以的。所以从这个方面看，如果单是从无刷电机看，结构是非常简单的。简单到 完全可以和交流异步电机相比。下图是内转子永磁直流无刷电机的六极定子片 :图 9-10-10这是一种突极定子片，绕组是集中绕组，绕在每个极上，产生三对磁极。 下图是电动自行车无刷
18、电机的定子图，这种电机也是突极的，是集中绕组图 9-10-11图是无刷电机的环形转子磁钢，是粘结钕铁硼磁钢图 9-10-12该磁钢做成转子后是个二对极的转子，就是讲，该磁钢是二对极的磁钢。 也有用铁氧体磁钢分块拼起，用铜套套住以防磁钢飞出来的无刷电机转子。图 9-10-13图是电动自行车无刷电机的轮毂，其内壁粘了 40 块烧结钕铁硼磁钢，这种形式就是 无刷电机中的外转子。图 9-10-14在电脑中 CPU 风扇，就是最简单的外转子无刷电机， 它的磁钢是一个多极充磁的磁环。9-10-4 永磁直流无刷电机绕组的介绍 永磁无刷直流电机的绕组在电机中占了很大的比重， 这和一般直流电机的绕组有很大的 区
19、别。作者在第五章和第九章第六节的盘式电机设计中分别介绍了直流电机的叠绕组和波绕 组的形成和排列方法。但是该永磁无刷直流电机的绕组形式完全和上面几章介绍的不一样， 因此如果要想对永磁无刷直流电机进行了解， 那么必须对无刷电机定子的绕组有一个清晰的 认识。无刷电机的绕组分显极和隐极。 显极是一个绕组线圈绕在电机定子一个齿上， 定子的一 个齿就是电机的一个极。 每个极是极易分明的。 这种绕组也叫做集中绕组。 隐极是电机的一 个线圈它绕在定子的多个齿上， 定子的极不象显极的那样明显， 这就是所谓的隐极。 一般交 流单，三相异步电机的定子线圈大都是采用隐极式排布。也叫做分布绕组。常用是永磁无刷直流电机的
20、定子线圈大都采用三组线圈， 形成 120电夹角。 在一对极 中形成 120的机械夹角。 那么二对极的转子的永磁无刷直流电机中， 线圈必定是 60的机 械夹角了。但是电夹角还是 120。一对极性相反的线圈应该是 180机械夹角，那么二对极的转子的永磁无刷直流电机中，线圈的机械夹角必定是 180/ 2 = 90了.线圈接法有三角形接法和星形接法。 我们可以确定地说，绕组必须遵循如下原则 : 三相绕组必须是 120电角度，电角度 =极对数机角度；180 每对相反极性的线圈的机械夹角为 : , P为极对数；p 一相线圈的各组顺序排列的线圈的极性必须是相反的，数量之和还必须是偶数； 三相线圈个数必须相等
21、； （这里的极指的是定子极 ）我们先分析一下简单的突极电机 :16 极电机定子线圈 : 定子冲片如下图 :我们可以分析几种永磁无刷直流电机定子线圈的排列。下图为 6 极（三相二极 ）电机定子线圈下线图 : 如果是星形接法，则 A, B ,C相连， A,B,C 为线圈 3个进线头； 如果是三角形接法，则 A B,B C,C A 相连，为线圈 3 个进线头；图 9-10-16下图为 12极（三相 4 极）电机定子线圈下线图 :B 相 C 相下线方法与 A 相相同。但必须注意每相相对位置，即起头位置。 如果是星形接法，则 A, B ,C相连， A,B,C 为线圈 3个进线头； 如果是三角形接法，则
22、A B,B C,C A 相连，为线圈 3 个进线头图 9-10-17同一种 6 极电机，线圈下线和接线不同，霍尔元件可以有如下排列图 9-10-18图 从上面的 4 种方法看，只有霍尔元件在圆周 合而不要改变其位置和反向。如下永磁无刷直流电机排线图实例， 这样每相是 2 对极。 属于一种一个极隐极电机， 是说每个凸极都的同极性的。图 9-10-21以上介绍的是集中绕组的 “凸极” 的排列，还有许多稍大的无刷电机都是用多极的定子， 一般集中绕组采用的有 6极，12 极。如 18极， 24 极， 36极的定子一般都采用分布绕组。 在分布绕组中， 线圈绕组绕有规律地绕在多个定子齿上， 组成各种不同的
23、绕组形式， 如同心 式，单层链式，单层交叉式，单双层式，双层迭绕式等等绕组形式。这些绕组形式和交流 电机的绕组极为相似，只要有交流异步电机设计或修理知识的人都是非常熟悉的。下面介绍 24极的分布绕组， 24 极的分布绕组可以组成同心式， 单迭绕组等形式 :具体见图。下图是 24 槽 4 对极的无刷电机线圈绕组排线图图 9-10-22其中 A,B C, 分别是三组线圈的头， A,B C分别是三组线圈的尾线。三组线圈分别相差 120电角度。每个线圈都是同极性的。同样是 24 槽的定子，可以做成 2 对极，那么接线就不一样。相邻两个线圈的极性是相 反的。图 9-10-23 同样我们可以把霍尔元件在圆
24、周 360均布 :图 9-10-24我们可以用 24槽做成 2 对极的同心式的绕组分布，其他槽数原理是一样的，这里就不 多讲了，读者可以自己分析。以上我们分析了无刷电机定子的线圈排布，这些都是三相的，其实在无刷电机中， 线圈是二相的也是很多的， 例如在一些小功率的风机中， 象电脑内的 CPU 中的简单的风扇， 都是采用二相的， 二相的无刷电机存在着起动时的许多问题， 虽然其驱动线路简单， 在很多 场合还是不太采用。我们相信随着电子技术的发展，二相的无刷电机会得到很大的发展的。9-10-5 永磁直流无刷电机定子极数和转子极数的配合 一般无刷电机的定子的槽数都采用是 3的倍数，因为这样定子可以组成
25、 3相的绕组， 电 机启动和运行起来非常可靠。一般最少是 6 个极的，最多经常遇到的是 36 槽。而定子的选用是要重视一些， 因为如果二者配合不好， 电机运行是不太好的。 在一般的 电机转子， 都是用磁钢组成， 有些是用环形磁钢， 有些是把磁钢一块一块地胶在转子支架上 的。我们选择磁钢极数和相邻二块磁钢的极性的选择原则是应该知道的。如果我们用的是 4 极（2 对极 ） 磁钢图 9-10-25在这种情况下，可以看出， A 相的二个极的极性必须是同极性的，也就是说，电机定子 每个极必须是同极性的。 如果电机定子设置的是不同极性的话， 那么转子的极性数量和充磁 必须考虑周到。如果转子是 2 极即 1
26、对极的话，就是在一对极中定子必须至少包含定子三相的三组线圈， 如果是定子是集中绕组的话，那么定子必须是要有最少要有 3 个极组成。如果转子是 4 极即 2对极的话， 就是在一对极中定子必须包含定子三相的三组线圈， 如 果是定子是集中绕组的话，那么定子必须是要有最少要有 6 个极组成。如果转子是 6 极即 3对极的话， 就是在一对极中定子必须包含定子三相的三组线圈， 如 果是定子是集中绕组的话，那么定子必须是要有最少要有 9 个极组成，以此来推。三相定子和转子之间的关系转子极数典型定子相同极数的槽数23，6，12，18，24, 30, 36 要可以被 3整除且为 1 或偶数46，12，24，36
27、 要可以被 6 整除且为 1 或偶数69，18， 36 要可以被 9 整除且为 1或偶数单相定子和转子之间的关系转子极数典型定子相同极数的槽数24，8，10，12，14，16, 18, 20, 22, 24, 36 要可以被 2整除且为 1或偶数44，8，12，16，20 ，24，28，32，36 要可以被 4整除且为 1 或偶数66，12， 18， 24，36 要可以被 6 整除且为 1 或偶数如果每个槽内考虑有二个线圈边的话， 那么就不一定是偶数了。 如三相定子和 4 极转子， 那么 定子 可以选用 18 槽的。应该讲，考虑到工艺等因素，定子选用如 : 6，12，24，36 槽，转子选用
28、4 极在二，三 相无刷电机中是非常通用和合理的。二相电机中选用 4 极磁钢和 4 极定子也是非常通用的。如果我们选定了无刷电机的相数， 电机转子的极数， 又选定了定子的槽数， 那么电机绕 组的形式基本上就定了下来。我们选定 3相，转子 4 极，定子 12槽作一个无刷电机的绕组分布图 :图 9-10-26 现在介绍这张图是怎么画出来的。12 首先看转子的极对数，该转子 4极， 2对极。所以每一对极包含 6个齿， ( 6)2 二个齿之间电角度为 360 606 因为是选用三相绕组，为此每相有 2 个齿， (6 2)3采用集中绕组方法，一个齿为 N 极，一个齿可以做成 S 极。同相线圈接线为 :尾尾
29、，每相之间，电角度要 120，为此第二相的极要在第三个齿下线。 60 2 120霍尔元件可以在整个圆周上均布，成 120夹角即可。如果霍尔元件要近一些，放成夹角为 60，即在从 A 相线圈起，相隔一槽的三个定子槽中心位置，放置三个霍尔元件即可。见下图图 9-10-27我们选定 3相，转子 4 极，定子 26槽作一个无刷电机的绕组分布图 : 先看转子的极对数，该转子 4极，2 对极。所以每一对极包含 18个齿， 二个齿之间电角度为 360 2018因为是选用三相绕组，为此每极相有 6 个齿， ( 6) 为此可以组成三个线圈，分布在 6 个槽中。由于这 3 个线圈要组成一对极，所以只能用一个线圈组
30、成一个极线圈，另外 2 个线圈组成一个极线圈。可以看出， 4 组线圈相对均匀地分布在定子 36 个槽内，相邻两组 线圈分布在定子一半的槽内，如果该组线圈通以直流电，则 4 组线圈会产生 S, N,S,均匀排 列的 4 个极。如下图 :个槽下线。 20 6 120而 C 相线圈线圈应该在第图 9-10-2913 槽下线，第 7 槽和第 13 槽之间相差 120。图 9-10-30霍尔元件可以在整个圆周上均布，成 120夹角即可。图 9-10-31 如果霍尔元件要近一些，放成夹角为 60，即在从 A 相线圈起，相隔一槽的 6 个定子槽中心位置，放置三个霍尔元件即可。见下图 :图 9-10-329-
31、10-6 永磁直流无刷电机测试 永磁直流无刷电机的测试和一般的永磁直流电机差不多， 但是电机测试电源是经过电机 的电子换向线路后到无刷电机上的， 因此在某种程度上电机和电子换向线路组成了无刷电机 系统。 有的无刷电机就把换向线路与电机做在一起， 就成了机电一体化的无刷电机系统。 现 在的自动门无刷电机就是这种结构。见图 9-10-33因此， 测试电机后， 电机的电流是电机的工作电流和电子换向线路的损耗电流之和。 我们可以看作，电子损耗电流是电机空载损耗的一部分。图 9-10-33以下这些无刷电机的机械特性的测试数据都是同行给作者的，作者没有进行任何改动。1这里是电动自行车无刷电机的实测试数据 :序号电压 (DCV)电流(A)输入功率(W)力矩 (N.m)转速 (rpm)输出功率(W)效率 %KT(N.m/A)0360.828.80341001366.05217.85.3730016877.1
