(完整版)無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)最終版

永磁直流電機(jī)實(shí)用設(shè)計(jì)與技術(shù)9章典型電機(jī)設(shè)計(jì) 9-10直流無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)9-10-1直流無(wú)刷電機(jī)的概述直流電機(jī)有無(wú)可倫比的優(yōu)點(diǎn)，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，供源簡(jiǎn)單，移動(dòng)方便，價(jià)格低廉，制造簡(jiǎn)單，工藝性好等等，是我國(guó)用量最大的一種電機(jī)。但是直流電機(jī)由于換向的需要，因此必需要由電刷和換向器來(lái)?yè)Q向。由于換向器和電刷的作用，就給電機(jī)帶來(lái)各種不良的影響，如噪聲，電刷運(yùn)行壽命，電機(jī)干擾和電機(jī)本身體積等問(wèn)題。直流電機(jī)最大的缺點(diǎn)是電機(jī)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如交流電機(jī)，交流同步電機(jī)等等無(wú)刷電機(jī)。交流電機(jī)，交流同步電機(jī)是交流供電的，由于用的是交流電源，在50HZ的交流電源中，一對(duì)極的交流異步電機(jī)的同步理論轉(zhuǎn)速是:，在交流同步電機(jī)中的同步轉(zhuǎn)速也應(yīng)該為，如果把電源的頻率調(diào)高或調(diào)低，則電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速也可以很高或者較低的。但這個(gè)電機(jī)的供源是交流電，如果把直流電源通過(guò)電路的轉(zhuǎn)換，變成可以交變的波形供給交流電機(jī)或交流同步電機(jī)，那么交流異步電機(jī)或交流同步電機(jī)也可以很好的轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的，這就是直流無(wú)刷電機(jī)的最直觀的概念。要把直流電轉(zhuǎn)換成單相或三相交變電源，在上世紀(jì)中葉還是一個(gè)非常麻煩的事，那時(shí)只有電子真空管，體積很大，輸出電流很小，那時(shí)臺(tái)式收音機(jī)就有12英寸的電視機(jī)那么大，無(wú)法和現(xiàn)在手指那么大的MP3相比擬。后來(lái)發(fā)明了半導(dǎo)體和相應(yīng)的各種半導(dǎo)體技術(shù)使電子控制技術(shù)推向了一個(gè)新紀(jì)元。各種電源逆變，分配技術(shù)，換相技術(shù)的相繼出現(xiàn)，許多高性能，高功率的半導(dǎo)體器件的研制成功，從而使電機(jī)領(lǐng)域出現(xiàn)了機(jī)電一體化的步進(jìn)電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)，并迅速在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)出現(xiàn)了永磁直流無(wú)刷電機(jī)后，就體現(xiàn)了它強(qiáng)大的生命力，永磁直流無(wú)刷電機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，如干擾小，(電路部分有一定的電磁干擾的)，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，調(diào)速性能好，控制方法多，輸出力矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，調(diào)速范圍寬，起動(dòng)響應(yīng)快，運(yùn)行平穩(wěn)，效率高等。永磁無(wú)刷直流電機(jī)有許多交流異步電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于辦公機(jī)械，電腦，音響，通風(fēng)行業(yè)，自動(dòng)控制，儀器儀表，汽車，國(guó)防工業(yè)等等領(lǐng)域，特別一提的是，在電腦中，光驅(qū)動(dòng)器，硬盤(pán)，DVD等大量用了非常精密的形式不一的永磁無(wú)刷直流電機(jī)，目前社會(huì)上人們所騎的電動(dòng)自行車上的電機(jī)絕大都數(shù)是采用了永磁直流無(wú)刷電機(jī)，這個(gè)量非?？捎^，這些也是用得最廣泛，生產(chǎn)量最多的直流無(wú)刷電機(jī)。永磁直流無(wú)刷電機(jī)已經(jīng)在時(shí)刻影響著人們的生活，在左右人類的生活的歷史。隨著控制器的小型化，模塊化，以前做得較大的控制器現(xiàn)在可以做得更小，有的可以和電機(jī)做在一起，使永磁無(wú)刷電機(jī)使用起來(lái)那么方便，那么的得心應(yīng)手。許多永磁直流電機(jī)日益被永磁無(wú)刷直流電機(jī)所替代。在電機(jī)界，研究，開(kāi)發(fā)永磁直流無(wú)刷電機(jī)是一種新的趨勢(shì)。這方面的論著也比以往多起來(lái)了。9-10-2永磁直流無(wú)刷電機(jī)工作原理從電磁原理看，電機(jī)中如果一個(gè)永磁多極磁鋼的轉(zhuǎn)子(一對(duì)極也可以)，外面的定子是由相對(duì)應(yīng)極數(shù)的線圈組成，定子線圈如果能夠產(chǎn)生一個(gè)單向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(不是脈振磁場(chǎng))的話，轉(zhuǎn)子因?yàn)樵摯艌?chǎng)的磁極作用而跟轉(zhuǎn)，這樣電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，如果轉(zhuǎn)子上加了個(gè)負(fù)載，為了使轉(zhuǎn)子能夠同步轉(zhuǎn)動(dòng)，電源必須需供給電機(jī)定子更大的電流，從而產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)，電機(jī)就能作功。這就是直流無(wú)刷電機(jī)的電磁原理。由直流電源產(chǎn)生定子上一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要有二個(gè)條件:定子必需有相應(yīng)能通過(guò)電源分配器能夠產(chǎn)生均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的線圈把直流電轉(zhuǎn)換成按一定的規(guī)律分配給定子相應(yīng)線圈電能的電源分配裝置因此無(wú)刷永磁直流電機(jī)必定的由電機(jī)和驅(qū)動(dòng)這二部分組成。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電機(jī)有各種各樣的結(jié)構(gòu)和形狀，有長(zhǎng)圓柱形，轉(zhuǎn)子是永磁的，定子是由象交流電機(jī)定子形式一樣的，有隱極的也有突極的，這種形式是內(nèi)轉(zhuǎn)子式的，也有外轉(zhuǎn)子式的，定子是在里面，轉(zhuǎn)子是在外面，轉(zhuǎn)子上粘著磁鋼，最典型的就是我們電腦中CPU的冷卻風(fēng)葉電機(jī)，更典型的是電動(dòng)自行車電機(jī)，俗稱輪轂電機(jī)。在電機(jī)中，交流三相電機(jī)運(yùn)行是非常好的，三相的電角度相差120°，而交流單相電機(jī)經(jīng)電容移相后組成的二相電機(jī)，其夾角不能很好地成90°。在永磁無(wú)刷直流電機(jī)中，如果能使電機(jī)定子產(chǎn)生三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，讓轉(zhuǎn)子平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，這是非常好的，因此許多場(chǎng)合的永磁無(wú)刷直流電機(jī)中的定子就用三相繞組的排列方法。實(shí)際上，永磁無(wú)刷直流電機(jī)電源就是把直流電源變成三相或二相脈沖電源，最好產(chǎn)生正弦波提供給電機(jī)，但由于從直流波形產(chǎn)生產(chǎn)嚴(yán)格的正弦波是比較困難的，現(xiàn)在好多電子交流穩(wěn)壓器輸出的波形還不是嚴(yán)格的正弦波，波形的失真度較大，所以小小的動(dòng)驅(qū)動(dòng)電源是不可能做到這點(diǎn)的，實(shí)際上，方波輸出的驅(qū)動(dòng)電源用在永磁無(wú)刷直流電機(jī)上還是相當(dāng)?shù)暮玫?。一般的永磁無(wú)刷直流電機(jī)是定子和定子線圈的排列的方法和分析問(wèn)題的觀點(diǎn)和交流電機(jī)定子基本相似，轉(zhuǎn)子和交流同步電機(jī)轉(zhuǎn)子相似，驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源相似。大都數(shù)電機(jī)上還增加了轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)傳感器。這是一種機(jī)電一體化的電機(jī)。如果讀者搞過(guò)單，三相交流電機(jī)，那么永磁無(wú)刷直流電機(jī)的定子排線，分布絕對(duì)沒(méi)有問(wèn)題，如果讀者又搞過(guò)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源的話，那么對(duì)無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源也是毫無(wú)問(wèn)題的。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的主要尺寸和線圈匝數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算作者會(huì)介紹實(shí)用的，比較簡(jiǎn)單的方法去解決問(wèn)題的。所以永磁無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)也不是非常困難的，沒(méi)有搞過(guò)無(wú)刷電機(jī)的也不要有畏難情緒。我們來(lái)談?wù)勅绾问闺姍C(jī)能夠產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)呢?我們可以從交流電機(jī)分析著手。三相相交流電機(jī)三相波形如下圖:圖9-1-1它們的三相繞組的機(jī)角度和電角度都是120°，為此形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如果我們能使永磁無(wú)刷直流電機(jī)的定子波形是上述形式，轉(zhuǎn)子是多極永磁體組成，那么運(yùn)行起來(lái)非常好的，如果這樣的定子，去掉轉(zhuǎn)子，在定子內(nèi)放一顆鋼珠，那鋼珠也會(huì)沿定子內(nèi)腔壁轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的。在電機(jī)中有一種叫交流爪極同步電機(jī)，它由一個(gè)定子線圈產(chǎn)生N對(duì)磁極，轉(zhuǎn)子是由N對(duì)磁極組成。每個(gè)相同的極隨交流電源的波形同時(shí)改變極性。因此這種電機(jī)定子的磁場(chǎng)的脈振的，不具有使轉(zhuǎn)子跟轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所以這種電機(jī)的啟動(dòng)是有問(wèn)題和相當(dāng)困難的，人們想盡辦法使這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的電機(jī)能夠啟動(dòng)。家用的微風(fēng)扇就是這種交流永磁式同步電機(jī)的典型例子。這種電機(jī)是人們?cè)O(shè)置了定子和轉(zhuǎn)子某些極不太對(duì)稱時(shí)形成的相對(duì)磁極中心偏所引起的來(lái)回振動(dòng)，并對(duì)設(shè)置的扭簧給予一個(gè)逐漸增大的彈力，當(dāng)扭簧的反彈力使轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度跟上電源的頻率變化時(shí)，這樣轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)了起來(lái)。因此開(kāi)啟這種微風(fēng)扇時(shí)，發(fā)現(xiàn)電扇要來(lái)回扭動(dòng)多次后才能正常工作。還有許多交流永磁同步電機(jī)解決電機(jī)啟動(dòng)的辦法，如每個(gè)極的小部分極用短路環(huán)罩起來(lái)，使該部分的磁通滯后該極的磁通，二個(gè)磁場(chǎng)的夾角非常小，不能成90°標(biāo)準(zhǔn)夾角的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。而是產(chǎn)生了非常橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)然這種電機(jī)要比脈振磁場(chǎng)好。這種電機(jī)啟動(dòng)力矩小，因?yàn)槎搪翻h(huán)的原因，損耗特別大，因此電機(jī)效率很差，又不能調(diào)速，這種電機(jī)適用范圍小。以上啟動(dòng)方式和運(yùn)行性能，在高檔產(chǎn)品上的不能接受的。因此永磁無(wú)刷直流電機(jī)不宜采用這些形式。在現(xiàn)在的電機(jī)中有一種叫爪極步進(jìn)電機(jī)(PM電機(jī))，由二個(gè)單相爪極同步電機(jī)極與極按一定規(guī)律的角度拼接而成，一個(gè)與定子極對(duì)數(shù)相同的永磁體轉(zhuǎn)子，二個(gè)線圈可以中心抽頭，也可以不抽頭。如果抽頭就形成了4個(gè)線圈，這4個(gè)線圈是由驅(qū)動(dòng)電源供電。驅(qū)動(dòng)電源按一定規(guī)律對(duì)線圈供電，使線圈通電的時(shí)間先后，產(chǎn)生了多極的可以調(diào)變速度的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而使轉(zhuǎn)子跟轉(zhuǎn)起來(lái)。因?yàn)樵摲N電機(jī)運(yùn)行是按驅(qū)動(dòng)電源分配的脈沖方波一步一步的轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以稱步進(jìn)電機(jī)，這也可以講它也是一種永磁無(wú)刷直流電機(jī)，這種電機(jī)也有其自身的缺點(diǎn)。我們是把永磁直流電機(jī)的換向器，電刷去掉，借以電子控制電機(jī)的換向，達(dá)到使轉(zhuǎn)子能象有換向器的永磁直流電機(jī)那樣很好地轉(zhuǎn)動(dòng)，這種用電子控制直流電機(jī)換向的電機(jī)我們稱為永磁無(wú)刷直流電機(jī)?，F(xiàn)在稱永磁無(wú)刷直流電機(jī)基本上都是指的以上形式的電機(jī)。我們?cè)谶@一節(jié)里，對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。我們用三槽永磁無(wú)刷直流電機(jī)作個(gè)介紹。一般直流電機(jī)的定子是有磁鋼而且是固定的，有繞組的轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)是相對(duì)的，如果我們?cè)O(shè)定該電機(jī)的有繞組的轉(zhuǎn)子不動(dòng)，那么相對(duì)轉(zhuǎn)子來(lái)講，有磁鋼的定子是以同樣的速度在轉(zhuǎn)動(dòng)的。一般講，固定不動(dòng)的是定子，轉(zhuǎn)動(dòng)的是轉(zhuǎn)子，因此永磁無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子，不管是內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子都是粘有磁鋼的，而定子都是有繞組而固定不動(dòng)的。這一點(diǎn)是永磁直流電機(jī)和永磁無(wú)刷直流電機(jī)的區(qū)別之一。下面是電機(jī)需要換向的圖9-10-12所示:這個(gè)換向工作一般用換向器來(lái)完成，如果用電子控制器來(lái)完成，那么這就是無(wú)刷電機(jī)了。我們應(yīng)該說(shuō)在B圖示的位置，線圈的電流必須開(kāi)始反向B端進(jìn)入，這樣線圈極性反向，二個(gè)S極相互排斥，從而使線圈繼續(xù)同向運(yùn)行。如何使轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈能知道自己已經(jīng)轉(zhuǎn)到在B圖示位置，并指示控制器把電流從A端換到B端輸入呢?現(xiàn)在一般的辦法是在適當(dāng)?shù)奈恢醚b有磁場(chǎng)檢測(cè)元件，這個(gè)元件一般用霍爾元件。圖9-10-2當(dāng)一個(gè)金屬塊進(jìn)入磁場(chǎng)后其金屬的兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的電位差，這個(gè)效應(yīng)是霍爾發(fā)現(xiàn)的，所以稱霍爾效應(yīng)。當(dāng)霍爾元件剛進(jìn)入一個(gè)磁鋼的時(shí)候，應(yīng)該是線圈中心和磁鋼中心重合的時(shí)候，那個(gè)霍爾元件的位置就是我們需要檢測(cè)和控制電子控制器(分配器)換向的位置。在這個(gè)位置，霍爾元件產(chǎn)生一個(gè)微小電壓，經(jīng)過(guò)放大器放大，進(jìn)入開(kāi)關(guān)元件的控制極，完成導(dǎo)通或關(guān)閉某些開(kāi)關(guān)元件，從而達(dá)到使電機(jī)某個(gè)線圈的換向的目的。下圖是單極霍爾元件放置位置:圖9-10-3這個(gè)霍爾元件和線圈相對(duì)位置必須固定，并且必須與線圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)才行。如果是三槽轉(zhuǎn)子的電機(jī)，霍爾元件就應(yīng)該如下放置:圖9-10-4我們看該轉(zhuǎn)子如何連續(xù)運(yùn)行的:圖9-10-5從上面看，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°機(jī)械角度時(shí)，轉(zhuǎn)子極B已經(jīng)在磁鋼S極的中心了，此時(shí)轉(zhuǎn)子B極的B線圈就需要換向，轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)60°機(jī)械角度時(shí)，轉(zhuǎn)子極C已經(jīng)在磁鋼N極的中心了，此時(shí)轉(zhuǎn)子C極的C線圈就需要換向，因此雖然線圈夾角為120°機(jī)械角度和電角度，但是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°角度時(shí)，三個(gè)線圈的電流狀態(tài)是相對(duì)發(fā)生了改變。就是說(shuō)，電樞繞組的磁勢(shì)是以60°步距跳變的，但是轉(zhuǎn)子的運(yùn)行是連續(xù)的。我們必須要說(shuō)，這種霍爾元件的放置方法是電機(jī)順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行，如果逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行這種方法，在這種二極三槽電機(jī)上看要正常運(yùn)行是很困難的。從上面看一個(gè)極的電子換向要一個(gè)磁極檢測(cè)霍爾元件，二個(gè)受霍爾元件控制的開(kāi)關(guān)管。所以在三槽轉(zhuǎn)子(即轉(zhuǎn)子上有三個(gè)極)的無(wú)刷電機(jī)中，有三個(gè)霍爾元件，六個(gè)開(kāi)關(guān)管和三組線圈組成。而三個(gè)線圈大都是星形接法，也有三角形的接法。以上僅是原理性地解釋了無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行原理。但是這樣實(shí)現(xiàn)是比較煩的，要實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜，相關(guān)的方面多，實(shí)際工作中，人們用不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的無(wú)刷電子換向。以下是無(wú)刷電機(jī)三相星形橋式接法的換流電氣原理圖:圖9-10-6無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)的書(shū)多了起來(lái)，經(jīng)常有講課。讀者可以看相關(guān)的無(wú)刷電機(jī)專著。9-10-3永磁直流無(wú)刷電機(jī)的介紹下圖是常用的永磁直流無(wú)刷電機(jī)的外形圖。圖9-10-7圖9-10-8圖9-10-9電機(jī)由轉(zhuǎn)子，定子和換相和檢相元件組成。轉(zhuǎn)子一般可以是外轉(zhuǎn)子或內(nèi)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上多極塊形磁鋼或環(huán)形磁鋼組成。定子一般是突極或隱極的，極上有繞組。在定子上的特定位置安放位置檢測(cè)元件控制電機(jī)的正常換相，如現(xiàn)在大多數(shù)用的是霍爾元件，當(dāng)然光電檢測(cè)控制換相也是可以的。所以從這個(gè)方面看，如果單是從無(wú)刷電機(jī)看，結(jié)構(gòu)是非常簡(jiǎn)單的。簡(jiǎn)單到完全可以和交流異步電機(jī)相比。下圖是內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁直流無(wú)刷電機(jī)的六極定子片:圖9-10-10這是一種突極定子片，繞組是集中繞組，繞在每個(gè)極上，產(chǎn)生三對(duì)磁極。下圖是電動(dòng)自行車無(wú)刷電機(jī)的定子圖，這種電機(jī)也是突極的，是集中繞組:圖9-10-11下圖是無(wú)刷電機(jī)的環(huán)形轉(zhuǎn)子磁鋼，是粘結(jié)釹鐵硼磁鋼:圖9-10-12該磁鋼做成轉(zhuǎn)子后是個(gè)二對(duì)極的轉(zhuǎn)子，就是講，該磁鋼是二對(duì)極的磁鋼。也有用鐵氧體磁鋼分塊拼起，用銅套套住以防磁鋼飛出來(lái)的無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子。圖9-10-13下圖是電動(dòng)自行車無(wú)刷電機(jī)的輪轂，其內(nèi)壁粘了40塊燒結(jié)釹鐵硼磁鋼，這種形式就是無(wú)刷電機(jī)中的外轉(zhuǎn)子。圖9-10-14在電腦中CPU風(fēng)扇，就是最簡(jiǎn)單的外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)，它的磁鋼是一個(gè)多極充磁的磁環(huán)。9-10-4永磁直流無(wú)刷電機(jī)繞組的介紹永磁無(wú)刷直流電機(jī)的繞組在電機(jī)中占了很大的比重，這和一般直流電機(jī)的繞組有很大的區(qū)別。作者在第五章和第九章第六節(jié)的盤(pán)式電機(jī)設(shè)計(jì)中分別介紹了直流電機(jī)的疊繞組和波繞組的形成和排列方法。但是該永磁無(wú)刷直流電機(jī)的繞組形式完全和上面幾章介紹的不一樣，因此如果要想對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行了解，那么必須對(duì)無(wú)刷電機(jī)定子的繞組有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。無(wú)刷電機(jī)的繞組分顯極和隱極。顯極是一個(gè)繞組線圈繞在電機(jī)定子一個(gè)齒上，定子的一個(gè)齒就是電機(jī)的一個(gè)極。每個(gè)極是極易分明的。這種繞組也叫做集中繞組。隱極是電機(jī)的一個(gè)線圈它繞在定子的多個(gè)齒上，定子的極不象顯極的那樣明顯，這就是所謂的隱極。一般交流單，三相異步電機(jī)的定子線圈大都是采用隱極式排布。也叫做分布繞組。常用是永磁無(wú)刷直流電機(jī)的定子線圈大都采用三組線圈，形成120°電夾角。在一對(duì)極中形成120°的機(jī)械夾角。那么二對(duì)極的轉(zhuǎn)子的永磁無(wú)刷直流電機(jī)中，線圈必定是60°的機(jī)械夾角了。但是電夾角還是120°。一對(duì)極性相反的線圈應(yīng)該是180°機(jī)械夾角，那么二對(duì)極的轉(zhuǎn)子的永磁無(wú)刷直流電機(jī)中，線圈的機(jī)械夾角必定是180°/2=90°了.線圈接法有三角形接法和星形接法。我們可以確定地說(shuō)，繞組必須遵循如下原則:三相繞組必須是120°電角度，電角度=極對(duì)數(shù)×機(jī)角度；每對(duì)相反極性的線圈的機(jī)械夾角為:,P為極對(duì)數(shù)；一相線圈的各組順序排列的線圈的極性必須是相反的，數(shù)量之和還必須是偶數(shù)；三相線圈個(gè)數(shù)必須相等；(這里的極指的是定子極)我們先分析一下簡(jiǎn)單的突極電機(jī):1．6極電機(jī)定子線圈:定子沖片如下圖:圖9-10-15我們可以分析幾種永磁無(wú)刷直流電機(jī)定子線圈的排列。下圖為6極(三相二極)電機(jī)定子線圈下線圖:如果是星形接法，則相連，為線圈3個(gè)進(jìn)線頭；如果是三角形接法，則相連，為線圈3個(gè)進(jìn)線頭；圖9-10-16下圖為12極(三相4極)電機(jī)定子線圈下線圖:B相C相下線方法與A相相同。但必須注意每相相對(duì)位置，即起頭位置。如果是星形接法，則相連，為線圈3個(gè)進(jìn)線頭；如果是三角形接法，則相連，為線圈3個(gè)進(jìn)線頭圖9-10-17同一種6極電機(jī)，線圈下線和接線不同，霍爾元件可以有如下排列圖9-10-18圖9-10-19圖9-10-20從上面的4種方法看，只有霍爾元件在圓周360°均布成120°夾角時(shí)，能用在不同場(chǎng)合而不要改變其位置和反向。如下永磁無(wú)刷直流電機(jī)排線圖實(shí)例，這樣每相是2對(duì)極。屬于一種一個(gè)極隱極電機(jī)，就是說(shuō)每個(gè)凸極都的同極性的。圖9-10-21以上介紹的是集中繞組的“凸極”的排列，還有許多稍大的無(wú)刷電機(jī)都是用多極的定子，一般集中繞組采用的有6極，12極。如18極，24極，36極的定子一般都采用分布繞組。在分布繞組中，線圈繞組繞有規(guī)律地繞在多個(gè)定子齒上，組成各種不同的繞組形式，如同心式，，單層鏈?zhǔn)?，單層交叉式，單雙層式，雙層迭繞式等等繞組形式。這些繞組形式和交流電機(jī)的繞組極為相似，只要有交流異步電機(jī)設(shè)計(jì)或修理知識(shí)的人都是非常熟悉的。下面介紹24極的分布繞組，24極的分布繞組可以組成同心式，單迭繞組等形式:具體見(jiàn)下圖。下圖是24槽4對(duì)極的無(wú)刷電機(jī)線圈繞組排線圖:圖9-10-22其中A,BC,分別是三組線圈的頭，A’,B’C’分別是三組線圈的尾線。三組線圈分別相差120°電角度。每個(gè)線圈都是同極性的。同樣是24槽的定子，可以做成2對(duì)極，那么接線就不一樣。相鄰兩個(gè)線圈的極性是相反的。圖9-10-23同樣我們可以把霍爾元件在圓周360°均布:圖9-10-24我們可以用24槽做成2對(duì)極的同心式的繞組分布，其他槽數(shù)原理是一樣的，這里就不多講了，讀者可以自己分析。以上我們分析了無(wú)刷電機(jī)定子的線圈排布，這些都是三相的，其實(shí)在無(wú)刷電機(jī)中，線圈是二相的也是很多的，例如在一些小功率的風(fēng)機(jī)中，象電腦內(nèi)的CPU中的簡(jiǎn)單的風(fēng)扇，都是采用二相的，二相的無(wú)刷電機(jī)存在著起動(dòng)時(shí)的許多問(wèn)題，雖然其驅(qū)動(dòng)線路簡(jiǎn)單，在很多場(chǎng)合還是不太采用。我們相信隨著電子技術(shù)的發(fā)展，二相的無(wú)刷電機(jī)會(huì)得到很大的發(fā)展的。9-10-5永磁直流無(wú)刷電機(jī)定子極數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)的配合一般無(wú)刷電機(jī)的定子的槽數(shù)都采用是3的倍數(shù)，因?yàn)檫@樣定子可以組成3相的繞組，電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行起來(lái)非常可靠。一般最少是6個(gè)極的，最多經(jīng)常遇到的是36槽。而定子的選用是要重視一些，因?yàn)槿绻吲浜喜缓?，電機(jī)運(yùn)行是不太好的。在一般的電機(jī)轉(zhuǎn)子，都是用磁鋼組成，有些是用環(huán)形磁鋼，有些是把磁鋼一塊一塊地膠在轉(zhuǎn)子支架上的。我們選擇磁鋼極數(shù)和相鄰二塊磁鋼的極性的選擇原則是應(yīng)該知道的。如果我們用的是4極(2對(duì)極)磁鋼圖9-10-25在這種情況下，可以看出，A相的二個(gè)極的極性必須是同極性的，也就是說(shuō)，電機(jī)定子每個(gè)極必須是同極性的。如果電機(jī)定子設(shè)置的是不同極性的話，那么轉(zhuǎn)子的極性數(shù)量和充磁必須考慮周到。如果轉(zhuǎn)子是2極即1對(duì)極的話，就是在一對(duì)極中定子必須至少包含定子三相的三組線圈，如果是定子是集中繞組的話，那么定子必須是要有最少要有3個(gè)極組成。如果轉(zhuǎn)子是4極即2對(duì)極的話，就是在一對(duì)極中定子必須包含定子三相的三組線圈，如果是定子是集中繞組的話，那么定子必須是要有最少要有6個(gè)極組成。如果轉(zhuǎn)子是6極即3對(duì)極的話，就是在一對(duì)極中定子必須包含定子三相的三組線圈，如果是定子是集中繞組的話，那么定子必須是要有最少要有9個(gè)極組成，以此來(lái)推。三相定子和轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系:轉(zhuǎn)子極數(shù)典型定子相同極數(shù)的槽數(shù)23，6，12，18，24,30,36要可以被3整除且為1或偶數(shù)46，12，24，36要可以被6整除且為1或偶數(shù)69，18，36要可以被9整除且為1或偶數(shù)單相定子和轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系:轉(zhuǎn)子極數(shù)典型定子相同極數(shù)的槽數(shù)24，8，10，12，14，16,18,20,22,24,36要可以被2整除且為1或偶數(shù)44，8，12，16，20，24，28，32，36要可以被4整除且為1或偶數(shù)66，12，18，24，36要可以被6整除且為1或偶數(shù)如果每個(gè)槽內(nèi)考慮有二個(gè)線圈邊的話，那么就不一定是偶數(shù)了。如三相定子和4極轉(zhuǎn)子，那么定子可以選用18槽的。應(yīng)該講，考慮到工藝等因素，定子選用如:6，12，24，36槽，轉(zhuǎn)子選用4極在二，三相無(wú)刷電機(jī)中是非常通用和合理的。二相電機(jī)中選用4極磁鋼和4極定子也是非常通用的。如果我們選定了無(wú)刷電機(jī)的相數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的極數(shù)，又選定了定子的槽數(shù)，那么電機(jī)繞組的形式基本上就定了下來(lái)。我們選定3相，轉(zhuǎn)子4極，定子12槽作一個(gè)無(wú)刷電機(jī)的繞組分布圖:圖9-10-26現(xiàn)在介紹這張圖是怎么畫(huà)出來(lái)的。首先看轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)，該轉(zhuǎn)子4極，2對(duì)極。所以每一對(duì)極包含6個(gè)齒，二個(gè)齒之間電角度為因?yàn)槭沁x用三相繞組，為此每相有2個(gè)齒，采用集中繞組方法，一個(gè)齒為N極，一個(gè)齒可以做成S極。同相線圈接線為:尾—尾，頭—頭。每相之間，電角度要120°，為此第二相的極要在第三個(gè)齒下線?；魻栐梢栽谡麄€(gè)圓周上均布，成120°夾角即可。如果霍爾元件要近一些，放成夾角為60°，即在從A相線圈起，相隔一槽的三個(gè)定子槽中心位置，放置三個(gè)霍爾元件即可。見(jiàn)下圖圖9-10-27我們選定3相，轉(zhuǎn)子4極，定子26槽作一個(gè)無(wú)刷電機(jī)的繞組分布圖:先看轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)，該轉(zhuǎn)子4極，2對(duì)極。所以每一對(duì)極包含18個(gè)齒，二個(gè)齒之間電角度為因?yàn)槭沁x用三相繞組，為此每極相有6個(gè)齒，為此可以組成三個(gè)線圈，分布在6個(gè)槽中。由于這3個(gè)線圈要組成一對(duì)極，所以只能用一個(gè)線圈組成一個(gè)極線圈，另外2個(gè)線圈組成一個(gè)極線圈。可以看出，4組線圈相對(duì)均勻地分布在定子36個(gè)槽內(nèi)，相鄰兩組線圈分布在定子一半的槽內(nèi)，如果該組線圈通以直流電，則4組線圈會(huì)產(chǎn)生S,N,S,均勻排列的4個(gè)極。如下圖:圖9-10-28在一相線圈接線，采用分布繞組方法，同相線圈接線為:尾—尾，頭—頭。每相之間，電角度要120°，二個(gè)齒之間電角度為為此第二相的極要在第7個(gè)槽下線。圖9-10-29而C相線圈線圈應(yīng)該在第13槽下線，第7槽和第13槽之間相差120°。圖9-10-30霍爾元件可以在整個(gè)圓周上均布，成120°夾角即可。圖9-10-31如果霍爾元件要近一些，放成夾角為60°，即在從A相線圈起，相隔一槽的6個(gè)定子槽中心位置，放置三個(gè)霍爾元件即可。見(jiàn)下圖:圖9-10-329-10-6永磁直流無(wú)刷電機(jī)測(cè)試永磁直流無(wú)刷電機(jī)的測(cè)試和一般的永磁直流電機(jī)差不多，但是電機(jī)測(cè)試電源是經(jīng)過(guò)電機(jī)的電子換向線路后到無(wú)刷電機(jī)上的，因此在某種程度上電機(jī)和電子換向線路組成了無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)。有的無(wú)刷電機(jī)就把換向線路與電機(jī)做在一起，就成了機(jī)電一體化的無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)?，F(xiàn)在的自動(dòng)門(mén)無(wú)刷電機(jī)就是這種結(jié)構(gòu)。見(jiàn)圖9-10-33因此，測(cè)試電機(jī)后，電機(jī)的電流是電機(jī)的工作電流和電子換向線路的損耗電流之和。我們可以看作，電子損耗電流是電機(jī)空載損耗的一部分。圖9-10-33以下這些無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械特性的測(cè)試數(shù)據(jù)都是同行給作者的，作者沒(méi)有進(jìn)行任何改動(dòng)。1．這里是電動(dòng)自行車無(wú)刷電機(jī)的實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù):序號(hào)電壓(DCV)電流(A)輸入功率(W)力矩(N.m)轉(zhuǎn)速(rpm)輸出功率(W)效率%KT(N.m/A)0360.828.80341001366.05217.85.3730016877.11.02282367.1255.66296185.972.70.95233368.2295.27.48328722576.21.00543610.5381.610.33272294771.06453612.8460.813.65259370801.1375這是用吊重物的測(cè)試數(shù)據(jù)。2．這是無(wú)刷直流機(jī)的機(jī)械特性曲線:350W48V序號(hào)轉(zhuǎn)矩N.m轉(zhuǎn)速rpm電壓V電流A輸出功率W輸入功率W效率%力矩常數(shù)KT=N.m/A10.56374.048.771.1622.3256.4339.627.32331.047.486.28253.74298.2285.11.3235.08345.047.914.58183.54219.4583.61.32646.03339.047.725.30214.67253.0484.61.32156.94330.047.555.99242.02284.9684.91.3267.16332.047.516.16248.94292.6085.11.33278.02326.047.346.81273.8322.5484.91.3288.99320.047.167.55301.27356.0184.61.32910.08313.046.958.38330.41393.2984.01.411010.96308.046.789.04353.51423.1383.51.171111.90302.046.609.77376.99455.4482.81.3171212.18300.046.559.97382.66464.1482.41.319從的一致性看來(lái)看這些機(jī)械特性曲線還是還是測(cè)得非常準(zhǔn)確的，僅個(gè)別測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試有些偏差。這是在電動(dòng)自行車電機(jī)的專用測(cè)試設(shè)備測(cè)的。3．這是外徑90的無(wú)刷電機(jī)機(jī)械特性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):U(V)I(A)T(N.m)n(r/min)Po(W)Pi(W)η(%)KT(N.m/A)241.5028920.0036.000.00243.80.2277458.0991.2063.700.0870245.20.3271685.32124.8068.360.08182480.52600136.13192.0070.900.0777249.60.632544167.82230.4072.840.07772411.80.82464206.41283.2072.880.07772414.412393250.58345.6072.500.077524171.22311290.39408.0071.170.0774從KT來(lái)分析，這個(gè)電機(jī)也是測(cè)量得比較正確的。9-10-7永磁直流無(wú)刷電機(jī)通電型式無(wú)刷電機(jī)的繞組常用的就是二種接法:三角形接法和星形接法。最常用的原理圖如下:圖9-10-34圖9-10-35現(xiàn)在我們分析圖9-10-34星形接法的電機(jī)導(dǎo)通情況。圖中通電的一瞬那必須有二個(gè)管子導(dǎo)通，每隔換相一次。這種常用的通電方式叫做二二通電方式。當(dāng)時(shí)，導(dǎo)通情況如下:圖9-10-36當(dāng)時(shí)，導(dǎo)通情況如下:圖9-10-37當(dāng)時(shí)，導(dǎo)通情況如下:圖9-10-38當(dāng)時(shí)，導(dǎo)通情況如下:圖9-10-39就這樣循環(huán)下去，完成一個(gè)周期的通電運(yùn)行。9-10-7永磁直流無(wú)刷電機(jī)機(jī)械特性的關(guān)系分析和計(jì)算永磁無(wú)刷直流電機(jī)和永磁直流電機(jī)有些區(qū)別，電機(jī)的定子和交流異步電機(jī)的定子相差不多，轉(zhuǎn)子又和直流電機(jī)的定子原理差異不大，供電又類似交流電機(jī)供電，供電方式也各式各樣。因此作者還沒(méi)有看見(jiàn)介紹過(guò)整個(gè)無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械特性曲線計(jì)算公式的書(shū)籍，求取電機(jī)的電機(jī)的空載點(diǎn)和負(fù)載點(diǎn)的計(jì)算公式非常復(fù)雜，但是電機(jī)千變?nèi)f化也不會(huì)偏離電機(jī)電磁關(guān)系的主要原理。是否可以把復(fù)雜的直流無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械特性找出其規(guī)律，能夠抓住這種電機(jī)的內(nèi)在聯(lián)系，從而提高我們對(duì)無(wú)刷電機(jī)的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。所以作者從新的角度出發(fā)來(lái)看無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械特性的內(nèi)在關(guān)系。我們可以看到，從上面介紹的各種無(wú)刷電機(jī)測(cè)量，其計(jì)算電機(jī)的輸入功率都是視換向電路和電機(jī)聯(lián)在一起作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮電機(jī)的效率的。而且換向系統(tǒng)僅起電子換向作用，在這種情況下，無(wú)刷電機(jī)就是把機(jī)械換向器成了電子換向器罷了。從另外的角度看，電機(jī)的性能和相關(guān)特性常數(shù)和永磁電機(jī)的非常相象，是否可以認(rèn)為直流永磁無(wú)刷電機(jī)和直流永磁電機(jī)的機(jī)械特性曲線內(nèi)部的關(guān)系是否相同呢?是否可以用永磁直流電機(jī)的機(jī)械特性計(jì)算公式用于永磁直流無(wú)刷電機(jī)呢?如果這樣的話這對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)計(jì)算永磁無(wú)刷電機(jī)帶來(lái)了極大的方便。我們可以以90無(wú)刷電機(jī)的最大效率點(diǎn)數(shù)據(jù)，用第8章的的計(jì)算機(jī)械特性的方法和公式來(lái)推算出該出90無(wú)刷電機(jī)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的整個(gè)機(jī)械特性，并作對(duì)比。U(V)I(A)T(N.m)n(r/min)Po(W)Pi(W)η(%)KT(N.m/A)241.5028920.0036.000.00243.80.2277458.0991.2063.700.0870245.20.3271685.32124.8068.360.08182480.52600136.13192.0070.900.0777249.60.632544167.82230.4072.840.07772411.80.82464206.41283.2072.880.07772414.412393250.58345.6072.500.077524171.22311290.39408.0071.170.0774上表是某廠家90永磁直流無(wú)刷電機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。表上粗體黑字并有下劃線的點(diǎn)，作為電機(jī)的最大效率點(diǎn)，該點(diǎn)僅是最大效率點(diǎn)附近，設(shè)為最大效率點(diǎn)，這樣計(jì)算有些誤差，另外我把化為用的是10.19關(guān)系，計(jì)算還要受一點(diǎn)影響的。最大效率為0.7288最大效率點(diǎn)轉(zhuǎn)矩:0.8=8152最大效率點(diǎn)轉(zhuǎn)速:2464最大功率點(diǎn)電流:11.8計(jì)算整個(gè)機(jī)械特性曲線:電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速：電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速：電機(jī)的空載電流：電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩：電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)的計(jì)算堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)：電機(jī)的電勢(shì)常數(shù)：電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流：電機(jī)的電樞電阻：電機(jī)的輸出功率：電機(jī)的輸入功率：電機(jī)任何點(diǎn)的轉(zhuǎn)速：我們?nèi)∪稳∫稽c(diǎn)的轉(zhuǎn)矩，如表上的0.5作為驗(yàn)算其轉(zhuǎn)速和計(jì)算轉(zhuǎn)速的差別:相對(duì)誤差:相對(duì)誤差:我們?nèi)∪稳∫稽c(diǎn)的轉(zhuǎn)矩，如表上的1.2作為驗(yàn)算其轉(zhuǎn)速和計(jì)算轉(zhuǎn)速的差別:相對(duì)誤差:相對(duì)誤差:以上計(jì)算其推算值和實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差僅是千分之幾，這個(gè)誤差包括了該點(diǎn)僅是最大效率附近的點(diǎn)，與最大效率點(diǎn)之間的誤差和電機(jī)測(cè)量該點(diǎn)的誤差等。從上面的計(jì)算和分析，我們可以這樣認(rèn)為::永磁無(wú)刷直流電機(jī)和永磁直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線的內(nèi)在關(guān)系是相同的。因此我們用本書(shū)推導(dǎo)出的永磁直流電機(jī)的機(jī)械特性關(guān)系公式來(lái)計(jì)算永磁直流無(wú)刷電機(jī)是完全可行的。這樣只要知道無(wú)刷電機(jī)的相關(guān)的幾個(gè)量，我們就可以用本書(shū)介紹的方法把整個(gè)無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械特性曲線很方便的計(jì)算出來(lái)，這也是非常高興的事。9-10-8永磁直流無(wú)刷電機(jī)機(jī)械特性力矩常數(shù)因?yàn)橛猩厦娴慕榻B后，我們可以這樣認(rèn)為，無(wú)刷電機(jī)的力矩常數(shù)計(jì)算公式為:公式，是電機(jī)通電工作時(shí)的通電電流的線圈有效匝數(shù)。是電機(jī)通電繞組的總工作磁通。這里我們要知道，無(wú)刷電機(jī)和永磁直流電機(jī)畢竟是不同的兩種電機(jī)，性能上可以等同，但無(wú)刷電機(jī)的實(shí)際線圈導(dǎo)體數(shù)并不是力矩常數(shù)中的有效匝數(shù)。無(wú)刷電機(jī)的不管是星形接法或三角形接法，不管無(wú)刷電機(jī)的分配器的分配形式是二二通電方式或三三通電方式，每相導(dǎo)體數(shù)都可以一一對(duì)應(yīng)不同的有效匝數(shù)。就是說(shuō)，當(dāng)電機(jī)通電形式確定后，無(wú)刷電機(jī)的每相繞組根數(shù)只要乘上無(wú)刷電機(jī)匝數(shù)系數(shù),那么電機(jī)的有效根數(shù)就可以求出，無(wú)刷電機(jī)有效根數(shù)系數(shù)無(wú)刷電機(jī)每相根數(shù)這樣以后的。設(shè)計(jì)計(jì)算就可以和永磁直流電機(jī)一樣設(shè)計(jì)計(jì)算了。作者認(rèn)為這也是一種實(shí)用的設(shè)計(jì)思路。9-10-9永磁直流無(wú)刷電機(jī)機(jī)械特性電勢(shì)常數(shù)永磁直流無(wú)刷電機(jī)機(jī)械特性電勢(shì)常數(shù)和永磁直流電機(jī)一樣:這個(gè)推導(dǎo)已經(jīng)在本書(shū)第一章闡述了，這里不再作證明。實(shí)際上，當(dāng)電機(jī)的最大效率從0.65~0.85時(shí)的值接近于1:0.650.96240.70.97330.80.98880.850.9939一般電機(jī)的最大效率在0.7~0.85之內(nèi)，所以以上公式可以近似:從我們的另外一個(gè)思路看:一個(gè)電機(jī)的工作是電壓確定的，如果電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速確定后，電機(jī)的基本上就是:或者這個(gè)電機(jī)的最大效率大概知道的話，這個(gè)電機(jī)的可以很精確的確定:從公式1-22看，所以:如果要求精確一些的話:這個(gè)公式的從電勢(shì)常數(shù)角度求出電機(jī)有效導(dǎo)體數(shù)的實(shí)用公式，9-10-9永磁直流無(wú)刷電機(jī)電機(jī)匝數(shù)的求取分析無(wú)刷電機(jī)的力矩常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù):我們可以知道這兩個(gè)系數(shù)主要是和和的乘積，即磁鏈相關(guān)，磁通是電機(jī)有效匝數(shù)的交鏈的工作磁通，這是毫無(wú)疑問(wèn)的。這個(gè)磁通是可以計(jì)算和測(cè)量出來(lái)。因?yàn)榫€圈都是繞在無(wú)刷電機(jī)的定子上的，所以作者認(rèn)為計(jì)算電機(jī)的工作磁通必須計(jì)算無(wú)刷電機(jī)的齒磁通。電樞一個(gè)齒的磁通::電樞齒寬:電樞沖片磁密:電樞沖片迭厚 :電樞沖片迭壓系數(shù)如果無(wú)刷電機(jī)的線圈繞在個(gè)極上，那么這個(gè)線圈的工作磁通就是:現(xiàn)在，我們要分析同一個(gè)磁通下作用的線圈的確定。圖9-10-40上圖的兩種方法產(chǎn)生的效果是一樣的，因此在一個(gè)無(wú)刷電機(jī)的定子線圈的接法關(guān)于到計(jì)算繞組有效根數(shù)的問(wèn)題。如果繞組都接成同一個(gè)極性的，那么每個(gè)線圈就認(rèn)為是一對(duì)極的線圈，如果繞組接成兩兩相反的極性的話，那么兩個(gè)相反極性的線圈就認(rèn)為是一對(duì)極的線圈。圖9-10-41圖9-10-41中的1和4是一相繞組，它們的接法都是產(chǎn)生同一個(gè)極性的，那么一相繞組有2對(duì)極，如果每個(gè)極繞55匝，那么該對(duì)極的磁通交鏈線圈就是55匝。如果它們聯(lián)接成不同極性，那么一相繞組有1對(duì)極，那么該對(duì)極的磁通交鏈線圈就是255匝。但每相總匝數(shù)仍是255匝。這個(gè)問(wèn)題在永磁直流電機(jī)中是不會(huì)發(fā)生的。從以上分析，可以知道，如果確定電機(jī)的有效磁通的交鏈線圈齒的齒磁通，那么就是說(shuō)，無(wú)刷電機(jī)的工作磁通就是的交鏈線圈齒的齒磁通。在永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)中電機(jī)的工作磁通是這樣判定的，如果線圈交鏈的齒所對(duì)應(yīng)的磁鋼不能夠使齒飽和，則線圈的工作磁通就是該線圈交鏈齒所對(duì)應(yīng)范圍的磁鋼的磁通，如果線圈交鏈的齒所對(duì)應(yīng)的磁鋼完全使齒飽和，那么線圈的工作磁通就是所包圍齒的飽和磁通。這種判斷使求取電機(jī)的工作磁通比較簡(jiǎn)單和直觀:1:電機(jī)的有效工作磁通的通過(guò)電機(jī)工作線圈所交鏈的齒的齒磁通。2:電機(jī)的齒磁通的計(jì)算看磁鋼的否對(duì)齒飽和與否，如果不飽和，則線圈的工作磁通基本上就是齒所對(duì)應(yīng)面積的磁鋼磁通，如果齒的磁通飽和了。則線圈的工作磁通就是齒的飽和磁通。這樣計(jì)算非常方便。這樣在計(jì)算電機(jī)的工作磁通是看工作線圈，再看線圈交鏈的齒，再看選擇的磁鋼對(duì)線圈交鏈的齒的磁通的飽和程度。最后求出線圈的工作磁通?，F(xiàn)在分析一下，永磁直流無(wú)刷電機(jī)的每相線圈如何通電的。如果我們分析三角形接法的二二通電形式，即三相六狀態(tài)導(dǎo)通情況。如果三相繞組分別冠以A,B,C相名稱，那么它們?cè)?60°的通電時(shí)間內(nèi)的順序?yàn)?A-B-C-A-B-C，每60°僅一相通電。加在一相上的電壓是全電壓。而星形接法的三相六狀態(tài)導(dǎo)通情況，那么它們?cè)?60°的通電時(shí)間內(nèi)的順序?yàn)?AB-AC-BC-BA-CA-CB，每60°二相通電。加在二相上的電壓是全電壓。在封閉式與橋式電子換向線路相組合，其特點(diǎn)是在所有磁狀態(tài)下，電樞繞組全部通電，僅是各相通電順序和電流流過(guò)的方向不同。在任一磁狀態(tài)中，總是二相串聯(lián)后再與另一相并聯(lián)工作的，這是另一種三角形無(wú)刷電機(jī)的換向分配形式。也就是說(shuō)，三角形接法的電機(jī)，每個(gè)時(shí)間段只有一相通電，產(chǎn)生一相磁極，按上面的圖分析，每個(gè)時(shí)間段，電機(jī)定子產(chǎn)生二對(duì)極的四個(gè)均勻電極，在下面的時(shí)間段電機(jī)線圈的另一相產(chǎn)生相隔了60°二對(duì)極的四個(gè)均勻電極，依次下去，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)均勻的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。而星形接法，每個(gè)時(shí)間段有二相通電，產(chǎn)生二相磁極，按上面的圖分析，每個(gè)時(shí)間段，電機(jī)定子產(chǎn)生四對(duì)極的八個(gè)均勻電極，在下面的時(shí)間段電機(jī)線圈的另一相產(chǎn)生相隔60°四對(duì)極的八個(gè)均勻電極，依次下去，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)均勻的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。圖9-10-42圖9-10-42中的左圖是圖9-10-41的無(wú)刷電機(jī)定子的三角形接法的電機(jī)，定子通電時(shí)的轉(zhuǎn)子磁鋼與通電線圈之間關(guān)系，這時(shí)磁鋼的夾角大于線圈的夾角，因此通電線圈齒的磁鋼磁通就是工作磁通。三角形接法的有效匝數(shù)就是單相線圈繞組的匝數(shù)。而星形接法的磁鋼夾角小于兩個(gè)線圈的夾角，因此磁鋼的磁通就是工作磁通。為了認(rèn)識(shí)方便一些，在這種情況下，工作磁通等于:星形接法的有效繞組就是二相繞組的匝數(shù)之和。因此電機(jī)的匝數(shù)和磁通要根據(jù)電機(jī)的繞組接法，電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀和二者之間真正交鏈的情況有極大的關(guān)系的。所以無(wú)刷永磁直流電機(jī)的基本設(shè)計(jì)計(jì)算是可以進(jìn)行框算的，但是這是建立在換向線路輸出的電壓是脈沖直流，僅是替代直流電機(jī)的換向器罷了。其它形式的控制線路的電機(jī)設(shè)計(jì)可以參看無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的各種專著。但是這種形式是最基本的，它是可以按照永磁直流電機(jī)最簡(jiǎn)單的方式和原理進(jìn)行各種電機(jī)主要尺寸和性能計(jì)算。電機(jī)繞線形式:圖9-10-43可見(jiàn)這個(gè)電機(jī)不是獨(dú)立繞組，一組線圈繞在3個(gè)齒上。每相4對(duì)極，因此每相8個(gè)線圈，電機(jī)線圈與與磁鋼相對(duì)位置:二相線圈重合了一個(gè)齒。圖9-10-44，因此有效繞組為二相繞組數(shù)。對(duì)于一相繞組有三個(gè)齒極，二相繞組的工作磁通原應(yīng)有6個(gè)齒的磁通，現(xiàn)在兩組線圈僅包圍了5個(gè)齒，所以二相的工作磁通為的兩個(gè)極的磁通。圖9-10-449-10-9永磁直流無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)方法概要從上面幾節(jié)分析看，無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械性能和永磁直流電機(jī)相同，因此作者提出用如下觀點(diǎn)來(lái)解決永磁無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題:無(wú)刷電機(jī)和電子換向部分可以認(rèn)為是電機(jī)的一個(gè)整體，無(wú)刷電機(jī)僅是用電子換向的永磁直流電機(jī)，其電機(jī)機(jī)械特性曲線和曲線內(nèi)在關(guān)系性能和永磁直流電機(jī)完全相同。由于無(wú)刷電機(jī)每相通電關(guān)系在區(qū)域工作時(shí)間段是相對(duì)固定的，這和交流電機(jī)單相和三相交變磁場(chǎng)有著根本的區(qū)別，為此可以把無(wú)刷電機(jī)的定子工作狀態(tài)和永磁直流電機(jī)等同起來(lái)。和永磁直流電機(jī)一樣，不要去分析相鄰兩個(gè)線圈之間的機(jī)械角度不同所產(chǎn)生的力矩的不同問(wèn)題，只要用計(jì)算電機(jī)的基本電磁公式計(jì)算電機(jī)的磁場(chǎng)，電流和力矩之間的關(guān)系即可。永磁直流電機(jī)的力矩常數(shù)和電勢(shì)常數(shù)的概念和永磁無(wú)刷電機(jī)中是一致的，功能相同，可以代表和分析無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線。無(wú)刷電機(jī)的力矩常數(shù)中的是電機(jī)的有效導(dǎo)體數(shù)，是電機(jī)的有效工作磁通。它們是決定無(wú)刷電機(jī)機(jī)械特性的重要量。電機(jī)的有效工作磁通和無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁通，齒磁通有著可以推算和分析的聯(lián)系，電機(jī)的有效導(dǎo)體數(shù)和電機(jī)定子每相導(dǎo)體數(shù)也有著一定的關(guān)系分析和計(jì)算出無(wú)刷電機(jī)的工作磁通后，就可以根據(jù)電機(jī)的力矩常數(shù)的公式，求出電機(jī)有效導(dǎo)體數(shù)，從而求出無(wú)刷電機(jī)的每相匝數(shù)。實(shí)際上，無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)和永磁直流電機(jī)基本相同，不同的是因?yàn)闊o(wú)刷電機(jī)的定子繞組的繞組形式變化多一些，復(fù)雜一些，實(shí)際繞組和有效繞組之間有一定的比例關(guān)系，必須考慮電機(jī)的接線形式，通電形式線圈和磁鋼之間的相互關(guān)系，線圈的等效匝數(shù)，電機(jī)的工作磁通的確定等等問(wèn)題，。無(wú)刷電機(jī)的工作磁通比永磁直流電機(jī)工作磁通分析也要復(fù)雜一些?？梢员容^直觀方便解決的。設(shè)計(jì)舉例:例1:已知:電壓24V要求額定力矩:，額定轉(zhuǎn)速:2464，額定電流11.8A定子18槽，，轉(zhuǎn)子2對(duì)極釹鐵硼燒結(jié)磁鋼換算:初估:該電機(jī)的最大效率在0.7~0.8左右，0.650.96240.70.97330.80.98880.850.9939取,0.7434計(jì)算電機(jī)的主要機(jī)械特性曲線的數(shù)值:0.5，Model聯(lián)結(jié)方式Lef線徑匝數(shù)并繞根數(shù)DateR(ohm)90ZWS01Y340.455190.088U(V)I(A)T(N.m)n(r/min)Po(W)Pi(W)η(%)KT(N.m/A)241.5028920.0036.000.00243.80.2277458.0991.2063.700.0870245.20.3271685.32124.8068.360.08182480.52600136.13192.0070.900.0777249.60.632544167.82230.4072.840.07772411.80.82464206.41283.2072.880.07772414.412393250.58345.6072.500.077524171.22311290.39408.0071.170.0774以上說(shuō)明，選用效率相對(duì)誤差為0.02,則額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算誤差僅左右。2．選取現(xiàn)成沖片:圖9-10-453．選用二對(duì)極轉(zhuǎn)子，在無(wú)刷電機(jī)中轉(zhuǎn)子取用燒結(jié)釹鐵鐵硼，因此如果定子沖片用DW370-50的話，齒磁密基本是飽和的,估計(jì)在24500(G)左右.4．畫(huà)出沖片和轉(zhuǎn)子磁鋼的相對(duì)位置:圖9-10-465．無(wú)刷電機(jī)定子選用星形接法，換向線路形式為三相六狀態(tài)導(dǎo)通:圖9-10-47每60°通電時(shí)間有相鄰兩相導(dǎo)通:通電時(shí)間內(nèi)的順序?yàn)?AB-AC-BC-BA-CA-CB－定子接線圖見(jiàn):圖9-10-48這是每相8個(gè)線圈，頭－頭，尾－尾，形成S－N－S－N－,極性。線圈形成4對(duì)極。6．分析線圈和磁鋼關(guān)系圖9-10-49對(duì)于一相繞組有三個(gè)齒極，二相繞組的工作磁通原應(yīng)有6個(gè)齒的磁通，現(xiàn)在兩組線圈僅包圍了5個(gè)齒，所以二相的工作磁通為的兩個(gè)極的磁通。二相繞組共有一個(gè)齒，一個(gè)線圈使這個(gè)齒產(chǎn)生飽和磁通后，另外一個(gè)