无刷直流电机绕组
第三章 直流无刷电动机的绕组
第一节 概述
同其他类型电动机一样，直流无刷电动机本体也是由定子和转子两大部件构成。转子是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由转轴、永久磁钢及磁轭等部件组成。其主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生感应电势，以驱动自身运转。定子是指电动机在运行时不动的部分，主要由硅钢冲片同分布在它们槽内的绕组以及机壳、端盖、轴承等部件组成。所谓“绕组”，是指一些按一定的规律连接起来的线圈的总和。绕组通电后，与转子磁钢所产生的磁场相互作用，产生力或感应电势驱使转子带动负载一块转动。转子磁钢转动后，其磁力线反过来又切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，反过来又影响了电动机内电动势的平衡关系。可见通电绕组和磁场之间的相互作用，是电动机内部机电能量转换的主要媒介。只有搞清电动机内磁场的分布和作用情况，才能确切地分析绕组所产生的感应电势和感生电动势的大小及方向，以便导出电动机的感应电势平衡方程和电动势平衡方程。然而离开了绕组的具体结构及联接方式，很难讲清楚电动机内机电能量转换的基本过程，对感应电动势、电路参数和电磁感应电势等基本问题，也会感到空洞或不着边际。在本章里，将结合直流无刷电动机的基本性能要求来讨论绕组结构的一些基本问题。为了简明扼要地分析有关绕组问题，首先对直流无刷电动机的磁路及气隙磁通作些必要的描述和简化。
第二节 直流无刷电动机磁场的简化
在直流无刷电动机中，主磁场一般由转子磁钢产生，通常用主磁路如图3.1所示，它通过相邻两个极的中心线，经定子和转子铁心闭合。主磁路主要由气隙、定子齿、定子轭和转子轭几部分组成。图中，U Φ为工作磁通，M Φ为永久磁钢内磁通，ΦS 为漏磁通。
图3.1电动机内部磁路
1—定子铁心2—软铁极靴3—永久磁钢
严格地说，直流无刷电动机内的磁场是含有不同磁介质的三维场，由于其几何形状复杂，又含有铁磁物质等非线性因素，使得问题变得非常复杂。在工程分析中，为了突出主要的过程，抓住主要矛盾，常作下列简化。如有必要，当对某些问题做进一步的深入研究时，再对某个被忽略的因素进行一定的补差和适当的修正。（1）不计端部效应。即不计电动机主磁场向两端的扩散，则在电动机绕组直线部分气隙中的磁场没有轴向分量，这样一来，就把气隙内的磁场简化为一个二维平面场；（2）不计铁心部分的磁压降及铁心内的磁滞、涡流效应。这样，铁心内磁通是连续的。但场强为零，磁能及损耗皆为零，因而可以局限于研究气隙内的磁场；（3）不计定子铁心表面开槽的影响，或者用一个等效的均匀气隙来考虑定子开槽的影响。这样，就使相当复杂的气隙磁场大大简化；（4）由于通常气隙宽度δ远小于气隙半径D ，所以在气隙中可不计磁场的切向分量及气隙沿径向的变化，即空气隙中磁感应强度B δ和场强H δ只有一个值，方向是径向的。于是整个问题就简化为一维场。
图3.2理想气隙磁感应强度分布波形 图3.2示出了在上述假定条件下的直流无刷电动机气隙磁感应强度B δ的分布情况。这时气隙磁感应强度B δ与每极磁通量Φ有以下关系：
B L
δτΦ=
(3.1) 式中：τ—极距；
L —电动机铁心的有效长度。 由于磁通具有边缘扩散现象，气隙磁感应强度分布就变成如图3.3所示，为了进一步改善气隙磁感应强度的分布波形，通常都使转子磁钢外圆R p 与定子内圆
R 有不同圆心，如图3.4a 所示，这时气隙就不均匀了，磁极两边对应的气隙比极中间的大，叫最大气隙，用δmax 表示。气隙小的地方，磁阻小，磁力线密；气
隙大的地方，磁阻大，磁力线疏，所以气隙里各处磁感应强度大小就不同了。最大气隙与最小气隙的比值一般取δ
max /δmin
=1.3～1.8。
图3.3考虑边缘扩散现象的气隙磁感应强度波形图3.4气隙不均匀时的磁感应强度波形
满足这些要求后，B
δ的分布形状就可变成图3.4b所示的接近正弦形的气隙磁感应强度。还要说明一下，图3.4b所示的气隙磁感应强度分布波形，是在假设定子铁心表面没有齿槽的条件下画出的。实际上，电动机的定子表面有齿和槽，会对气隙磁感应强度波形有影响，其中增加了与齿数有关的齿谐波，在此就不详加讨论了。
第三节绕组的构成及基本要求
绕组的基本单元是线圈。每个线圈有两个边，分别放置在定子叠片的两个槽内。两个线圈边相联接的部分，称为线圈端部。线圈边的直线部分放在槽内，称为线圈的有效部分，如图3.5所示。直流无刷电动机中的电磁能量转换主要通过线圈的直线部分进行。线圈一般是由多匝导线组成，即由若干匝数的导线串联构
成，如图3.5b所示。在特殊情况下，也可以是单匝的，如图3.5a所示。
图3.5线圈的基本结构
一个线圈的两个有效边沿圆周相隔的距离，称为线圈的节距y，一般用定子内的槽数或它与极距的比值β来表示。当线圈的节距与极距相等时，称为整距（或
全距）绕组。节距小于极距时，称为短距绕组。在特殊情况下，节距也可以大于
极距，称为长距绕组。例如，某直流无刷电动机转子为两对极（p=2），定子槽
数Z
s =36，则极距τ=Z
s
/2p=36/（2×2）=9槽。如采用整距绕组，则取节距y=τ
=9，即将一个线圈的两边分别放在第1槽和第10槽，如图3.6所示。如上例中节距小于极距τ（τ=9）。这时线圈两边分别放置在第1槽和第9槽中，这种绕组就称为短距绕组。
y=8 （3.2）或β=8/9=0.889
图3.6 y=9时线圈在槽中的分布
在直流无刷电动机内，绕组又可分为单层绕组和双层绕组。每个槽内放置一个线圈边时，称为单层绕组；每个槽内放置两个线圈边，且分为上、下层时，称为双层绕组。双层绕组一般都采用短距绕组，其节距y在0.8τ左右，以使其5次和7次谐波的影响同时削减到比较小，这样既改善了电动机的电磁性能，又可节省材料（因为绕组的端部接线缩短了）。
单层绕组，每相每极仅一个线圈，而双层绕组，每相每极仅两个线圈时称为集中绕组。单层绕组每相每极有两个或更多个线圈、双层绕组每相每极有两个以上线圈时，称为分布绕组。
电动机的定子（或转子），其圆周等于360°，这种用机械关系计量的空间角度叫做机械角。但是在电工技术中，经常用到电角度（简称电角）的概念。每对磁极占定子圆周的空间的机械角为360°/（极对数），但其电角度为360°。且每经过一对磁极，就相应转过360°电角度。显然电角度是与磁极数有关，它与机械角度的关系（图3.7）为
电角度=极对数×机械角度（3.3）归纳起来，直流无刷电动机对绕组有下列基本要求：
图3.7电动机机械角与电角的关系
a）4极电机磁场示意图 b）转子导体1的感应电动势波形（1）绕组导体沿定子圆周排列，通电后产生的磁场，应形成与转子磁场相同的极对数，这是最基本的要求。否则，它将无法运行；
（2）节约用铜。在用铜量一定时，产生的感应电势或电动势最大；
（3）绕组的结构应尽力使工艺简单，制作维修方便；
（4）绝缘可靠，散热条件好。
第四节单层绕组
前已指出，直流无刷电动机的绕组一般是由多个线圈串联起来的，如图3.8所示。若节距y等于极距时，叫整距绕组。最简单的情况，用一个整距绕组作为电动机中一相的绕组称为集中绕组。
图3.8整距绕组
最简单的三相直流无刷电动机由三个单相整距集中绕组组成。为了使三个相绕组所产生的对称的感应电动势，要求三相绕组完全对称，所以在安排三相绕组时，各相绕组必须完全一样，它们之间的相位互差120°电角度。如果气隙中磁通分布为正弦波，它们所产生的感应电动势也应该为正弦波形，相互之间的相位
差也是120°电角度。因此，可用矢量图表示各相感应电动势的基波，如图3.9所示。
图3.9三相对称基波对称感应电动势矢量图
为了有效地利用定子内表面空间，便于绕组散热。每相绕组一般不用一个集中绕组，而是用几个线圈均匀地分散在定子表面上作为一个相绕组，这就是所谓的分布绕组。当一个集中绕组被几个分布绕组代替后，怎样组成三相绕组呢？又怎样计算它们所产生的合成感应电动势呢？
由于各分布绕组在定子上的位置不同，它们所产生的感应电势波形在相位上也不相同。我们知道，对于不同相位的感应电势所形成的合成感应电势应该用矢量和来计算。为此在计算时不仅需要求出各个分布绕组里所产生感应电势幅值的大小，还要找出它们之间的相位关系。
如果每个分布绕组的匝数都一样，且它们在同一磁感应强度的作用下，各分布绕组所产生的感应电势幅值大小应该都是一样的。问题是它们之间的相位关系如何确定。
为此，通过一个具体实例来说明。设某直流无刷电动机的总槽数z=36，极对数2p=4，相数m=3，如图3.10所示。在转子磁钢所产生的磁场作用下，产生一定的感应电势，当转子磁钢转过一对磁极的位置后，导体里所产生的感应电势在时间上也完成了一个周期。即导体相对于磁极位移了360°空间电角度时，导体中基波感应电势在时间上也度过了360°电角度。
图3.10槽导体在定子上的分布图3.11导体感应电势矢量如果有两根导体（如图3.10中第36号导体和第1号导体）在定子表面上相距α空间电角度，通电后一旦电动机开始转动，在某一稳定的转速下，不难看出该绕组上所产生的基波感应电势的在时间上必然也相差α电角度，如图3.11所示。这样就可以把图3.10中所有导体的基波感应电势矢量画出来。在画图前，先算出α角的大小。
α=p×360°/Z D=2×360°/36=20°电角度
式中p—极对数；
—总槽数。
Z
D
按照相邻两槽内导体的感应电势基波矢量相差α电角度的规律，画出电动机内全部槽导体感应电势基波矢量图（叫做星形矢量图），如图3.12所示。在星形矢量图上，可以清楚地看出各槽导体感应电势之间的相对关系。星形矢量图对于安排绕组的联接方法，以及计算绕组的感应电势大小都有很大的用途。
图3.12星形矢量图
利用星形矢量图，并根据三相绕组对称和合成感应电势最大的原则来分配各相绕组分别包含哪些槽导体，然后把它们联成三相绕组。
仍以图3.10的电动机为例，把图3.12的感应电势矢量分成六等分。由每一
等分里矢量对应的槽组成一个相带（即每一相在电枢表面所占的空间地带），并以顺时针转向依次标上A 、C ′、B 、A ′、C 、B ′，每个相带占有60°电角度空间，这种分法叫60°相带法。
为了分相带方便，可以先计算每个相带中包含的槽数，即每极每相槽数q 为
36q 32232
z mp ===⨯⨯ q 等于整数的，叫整数槽绕组；等于分数的，叫分数槽绕组，分数槽绕组在后面再介绍。
把图3.10沿轴向剖开，再展成一平面，磁极在定子上边就不画了，如图3.13所示。这就是绕组展开图。先画36根等长又等距的直线，代表槽数，对每个槽标上号码。从星形矢量图中可清楚得知：1、2、3槽和19、20、21槽是属于A 相带；10、11、12槽和28、29、30槽是属于A ′相带。它们之间相差180°电角度。于是，把属于A 相带的一个槽和属于A ′相带的一个槽的导体联接起来，构成绕组组合，引出线标以11A A '。同样，可得另一对极下的绕组组合成22A A '。怎样把两个A 相带的绕组组合成一个A 相绕组呢？一般有两种办法：一种是把图
3.13中的1A '和A 2联接起来成为串联绕组；另一种是把图3.13中的A 1与A 2联接、A ′1与A ′2联接，成为并联绕组。同一绕组，如用串联，则每相感应电动势大，
允许通过的相电流小；如用并联，每相感应电动势小，而通过的相电流大。同理可画出B 相绕组和C 相绕组的联接方法。
图3.13相绕组的联接方式 从图3.13知道，在一对极里，属于A 相的槽有1和10、2和11、3和12，这些槽内导体分别构成A 相的三个线圈。如果用E k1、E k2、E k3代表每个线圈的基
波感应电势。
线圈基波感应电势的相位依次相差α角，如图3.14a 所示。要计算相感应电势，必须把三个绕组感应电势按矢量方式相加起来，得到绕组总感应电势∑E k
∑E k =E k1+E k2+E k3 (3.4)
图3.14各线圈的合成感应电势 图3.14画出了E k1、E k2、E k3及合成的感应电势∑E k 。根据几何学，可作出它
们的外接圆。如果外接圆半径为R ，则有
ki E 2sin 2R α
= (3.5)
E 2sin 2k R q α⎛⎫= ⎪⎝⎭
∑ (3.6) 如果把分布绕组都集中在一起，每个绕组所产生的感应电势彼此之间就没有相位差了，它们的总感应电势是qEk 。把分布绕组时的总基波感应电势∑Ek 被绕组集中时的总基波感应电势qEk 去除，可得
sin E 2qE sin 2
k k q q αα⎛⎫ ⎪⎝⎭=∑ 于是
sin 2E qE qE sin 2
k k k dl q k q αα⎛⎫ ⎪⎝⎭==∑ (3.7) 式中
sin 2sin 2
dl q k q αα⎛⎫ ⎪⎝⎭=
叫基波分布因数，它是比1小的数。这就是说，由于采用了分布绕组，合成总感应电势比各个绕组集中在一起时的感应电势减小了。从数学上看，就是把绕组集中在一起的感应电势，乘上一个小于1的因数，就是绕组分布以后的总感应电势。
仍以图3.10所示的电动机为例，由于它的q=3、α=20°，可得
20sin 3sin 220.95920sin 3sin 22
dl q k q αα⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭===
图3.15绕组分布后能改善感应电势波形 由此可见，采用分布绕组，基波感应电势所受的损失不大，只有4%。但是采用分布绕组后，除了可以更好地利用空间、改善散热条件外，还带来了另一个好处，就是分布绕组改善了合成感应电势的波形。例如，某电动机的气隙磁感应强度为平顶波，当绕组通以一定电流后，则集中绕组各相感应电势波形与气隙磁感应强度波形相似，也是平顶波（暂不考虑槽齿的影响），但是，分布绕组时情况就不同了。图3.15b 是由两个分布的绕组串联在一起的相绕组输出感应电势的波形。如果每个绕组里的感应电势是平顶波，加起来的相感应电势波形已接近正弦波了，如图3.15b 所示。可见，把绕组分布开，就能改善相感应电势的波形。
同样从谐波观点来看，由于电动机气隙中磁感应强度为平顶波，显然集中绕组里含有比例较大的各次谐波感应电势。但是，绕组一经分布，各相的合成感应电势里谐波的比例，就大大地降低了。这是由于绕组分布后，虽然各个绕组在定子表面空间上，分别相差一个电角度α，所产生的基波感应电势之间，也差了同一个相位角α。
但对谐波感应电势而言，绕组分布以后的相位差不是α角，而是γα角（γ是谐波的次数）。因此，它们所产生的谐波感应电势，在时间上，当然也相应地相差γα电角度。计算分布绕组的谐波感应电势时，仍然可以用分布因数的概念，只不过用γα角代替基波时的α角即可，于是有
sin 2sin 2d q k q γγαγα
⎛⎫ ⎪⎝⎭=
(3.8)
以图3.10电动机为例，q=3，α=20°，k d1=0.96，三次谐波的分布因数为
3320sin 320.6673203sin 2
d k ⎛⎫⨯ ⎪⎝⎭==⨯ 五次谐波分布因数为
5520sin 320.2175203sin 2
d k ⎛⎫⨯ ⎪⎝⎭==⨯ 由此可见，合成感应电势的基波仅被削减了4%；三次谐波被削减了约1/3；五次谐波被削减了约4/5。所以说采用分布绕组后，合成感应电势的基波感应电势损失不大，谐波感应电势却可大大削减，因而起到了改善感应电势波形的作用。
第五节 单层绕组的联接
前已说过，对绕组最基本的要求，是通电后产生2p 个极的磁场，极距相等。按这一要求，一相绕组的线圈边沿圆周必然有规律分布，即相隔一个极距就存在一组槽属于同一相，称为一个相带。
上面介绍了利用星形矢量图分出相带后联接各相绕组的基本方法。为了缩短绕组的端接线，节约用铜，考虑到嵌线工艺的方便，提高劳动生产率，保证电动机的质量，在实际生产的电动机中，存在几种不同联接方式的单层绕组。常见的有链式绕组、同心式绕组和交叉式绕组。下面分别说明一下这几种联接法的特点。
1.链式绕组
为便于描述，现举例说明，设某电动机的槽数Z=24，磁极数2p=4，则
24q ==22mp 232
Z =⨯⨯ 3602360==3024
p Z α⨯⨯
=
图3.16星形矢量图
画出星形矢量图，并划分出相带，如图3.16所示。由图3.16可知，1、2槽和13、14槽属于A相带；7、8槽和19、20槽属于A′相带。如果把1与7槽导体联接成一个绕组；同样，把2与8、13与19、14与20分别联接成绕组，就可串联组成A相绕组，如图3.17所示。
图3.17绕组的联接
图3.18链式绕组
由于绕组的端部接线不产生感应电势，只起联接槽内有效导体的作用，所以只要把属于A相带的槽内导体和属于A′相带的槽内导体全部联接，组成A相绕组，联接的原则是不管联接的次序如何，只要每相所产生的合成感应电势保持最大即可。
为了缩短端部接线，节约用铜，可以把2与7槽、8与13槽、14与19槽、
20与1槽联成线圈，这时线圈的节距缩短了，故其端接线也就缩短了。再串接各线圈组成A 相绕组，为了不使串联中各线圈感应电势相互抵消，必须注意各线圈应当首端与首端相接，尾端与尾端相接，如图3.18所示。用这种联接方法联成的绕组，就叫做链式绕组。采用链式绕组，缩短了端接联线，链式绕组主要用于4级、6级、8级三相电动机中。
2.交叉式绕组
在每极每相槽数q=奇数（例如q=3）的单层绕组中，为了缩短绕组的端接线长度，经常采用交叉式绕组。现仍以具体例子加以说明。设某电动机z=36，2p=4，则
36q==32232
Z mp =⨯⨯ 即每相带有三个槽。
画绕组展开图，如图3.19所示。1、2、3与19、20、21属A 相带；10、11、12与28、29、30属X 相带。如果把11槽与19槽、12槽与20槽、2槽与29槽、1槽与30槽联成一种节距的线圈，再把3槽与10槽、21槽与28槽联成另一种节距更短的线圈，然后，依次串接成A 相绕组，称为交叉式绕组。
图3.19交叉式绕组 交叉式绕组的特点，是为了节省绕组端部接线，把线圈制成两种节距。如上述定子绕组，A 相六个线圈，其中四个为节距大的线圈，两个为节距小的线圈。这种绕组常用在q=3的小型异步电动机中。
3.同心式绕组
同心式绕组由不同节距的同心线圈组成。如某电动机的槽数z=24，2p=2，
则每极每相槽数
24q==42231
Z mp =⨯⨯ 图3.20画出了绕组的展开图，其中1、2、3、4槽属于B 相带；13、14、15、16槽属于B ′相带。把4与13、3与14、1与16、2与15槽组成四个线圈，依次联接成B 相绕组。
同心式绕组目前主要用在每极每相槽数较多（如q=4）的电动机中。因两极电动机嵌线时端部较困难，用同心式，则端部的重叠层数少，便于布置。缺点是要制造节距不同的线圈，且端部接线也比链式的长。
上述绕组的形式虽然各不相同，但是在计算各相感应电势的大小时，都可以看成为集中绕组乘上一个分布因数。
图3.20同心式绕组
第六节 双层绕组
上节讨论的单层绕组的优点是槽内只有一个线圈边，嵌线方便，可提高工效，不像双层绕组需要层间绝缘，因而提高了槽满率，且没有层间绝缘的击穿问题，提高了电动机的可靠性。单层绕组的缺点是不能同时采用分布的任选节距的办法来有效地抑制谐波。为了更好地改善电动机的性能，一般直流无刷电动机多数采用双层绕组。
所谓双层绕组，是指电动机定子每槽安放着两个不同线圈的线圈边，分为上层和下层，中间用层间绝缘隔开。对于每个线圈来说，线圈的一边放在某槽的上层，线圈的另一边则放在其他槽的下层。同样地，如果线圈的节距等于极距时，这种绕组叫做整距绕组；节距小于极距的，叫做短距绕组。对双层绕组而言，电
动机定子有多少个槽，就会有多少个线圈，即线圈数等于槽数。
双层绕组特点之一是一般都用短距绕组。一般说来，节距缩短一或两个槽时，对于各个线圈的安放，不会发生什么妨碍。而短距绕组的明显好处是缩短了端接线，节省了铜线，而所产生的基波感应电势削弱得并不多。相反，采用短距绕组以后，对感应电势的谐波可以削弱很多，这对改善感应电势的波形是有利的。为了定量分析上述优点，下面通过计算短距绕组的基波感应电势和谐波感应电势来加以说明。
图3.21短距绕组 图3.21画出了一个短距绕组，它由导体Ⅰ和导体Ⅱ组成，线圈的节距y 1小于极距τ。其节距比为β。
采用短距绕组后，该绕组所产生的感应电势比全距绕组的应有所减少，那么如何来精确地计算其数值呢？为此，先看其中一匝所产生的感应电势。在分析感应电势之前，首先规定好导体与绕组感应电势的正方向。导体感应电势以顺时针方向作为感应电势的正方向，并规定绕组的中心线处在磁极之间时作为时间的起点（即图3.16所示瞬间）。
导体Ⅰ的基波感应电势
1E E sin ()E sin()22m m t t βπβπωπω⎡⎤=+-=--⎢⎥⎣⎦
导体Ⅱ的基波感应电势
2E E sin ()E sin()22m m t t βπβπωπω⎡⎤=++=-+⎢⎥⎣⎦
绕组的基波感应电势
1212E E E E sin()sin()22m t t βπβπωω⎡⎤=-=+--⎢⎥⎣
⎦
E sin cos 2m t βπ
ω= (3.10)
当绕组为整距时，绕组基波感应电势应为'12
E 2E cos m t ω=所以短距绕组的基波感应电势
''121212E E sin E 2pl k βπ
== (3.11)
式中k pl ———基波短距因数，k p1=sin(βπ/2)。
短距因数也是一个小于1的数。这是由于当绕组采用短距后，线圈里的两根导体所产生的基波感应电势的相角不是相差180°。所以，线圈的基波感应电势不是导体基波感应电势的两倍，而是相当于整距绕组的基波感应电势乘上小于1的因数。
举例说明：一台电动机极数2p=4，总槽数Z=36，线圈边分别放在第1槽和第8槽里，求短距因数？
这台电动机的极距τ=Z/2p=36/4=9个槽，线圈节距y1=8-1=7个槽。节距比为
β=7/9
基波短距因数
79sin sin 0.93922
pl k πβπ=== 可见，线圈节距由9个槽缩短到7个槽时，基波感应电势只被削弱了6.1%。 再来分析谐波感应电势，因为线圈的两个边对基波来说，距离是βπ电角度；对谐波来说，距离就是γβπ电角度了。所以，谐波短距因数与基波短距因数有不同的数值。谐波短距因数为
sin 2p k γγβπ
=
仍以上例来计算谐波的短距因数。其中三次、五次、七次谐波的短距因数分别为
3739sin 0.52
p k π⨯==-
5759sin 0.1732
p k π⨯==- 7
779sin 0.7662p k π⨯== 值得指出的是，在以上计算kp3和kp5时，式中出现了负号，它反映的是感应电势瞬时值，在感应电势的瞬时值表达式中才有意义，而上式只需考虑感应电势大小，负号可不必考虑。
从这个例子看到，谐波感应电势在短距绕组中受到很大的削弱。如三次谐波削去了一半，五次谐波削去约5/6，七次谐波削去约1/4（七次谐波虽然削弱较少，但它本身的数值就很小，同时还可配合绕组分布的办法，来进一步削弱它）。因为谐波次数越高，幅值越小，它的影响也就小了，故不必计算更高次谐波。
可见，适当安排短距绕组，基波感应电势仅被削弱得很少，但采用短距绕组后，一方面可使端接部分缩短，节省了铜，另一方面还能改善感应电势的波形，这是双层短距绕组的显著优点。
在直流无刷电动机的设计过程中，如有需要，也可以采取适当的短距，专门来消除某一次谐波感应电势。
例如，在上述例子中，如果使β=2/3，则
3233sin 02
p k π⨯== 就可以把三次谐波感应电势完全消除。这是因为，线圈节距比极距缩短了1/3，两根导体所在位置，对三次谐波来说，处在同一极性的磁极下，所以，在同一磁场的作用下两导体里所受的三次谐波感应电势在线圈里互相抵消。同样，如要消除第γ次谐波，只要使绕组的节距缩短第γ次谐波的一个极距，即y=（γ-1）/γ，就可达到。
第七节 双层绕组的联接
如上所述，单层绕组可以有几种可能的联接。如构成双层绕组，每个线圈的节距就可以在一定范围内自由选择，通常取线圈节距略小于极距。
1.双层绕组联接的基本步骤
在安排单层绕组时，曾介绍过用星形矢量图的方法。对双层绕组，同样可以用星形矢量图来安排它们之间的联接，归纳起来可分如下几个基本步骤。为了便
于叙述，仍以具体例子加以说明，设某直流无刷电动机定子线圈数Z=36，2p=4，采用短距y=7/9。
第一步：画出槽的展开图，即画36根实线和36根虚线，实线代表槽的上层，虚线代表槽的下层。让实线和虚线靠得近些，在实线上标上号码。如图3.22所示。
图3.22绕组展开图
第二步：根据线圈的节距，把上、下层导体依次联成线圈。例如，本例中节距y=7/9，那么第一槽上层和第八槽下层构成一个线圈，第二槽上层和第九槽下层构成一个线圈等依次安排下去。由于三相绕组完全对称，为了看起来清楚，在画绕组时，一般只画一相绕组，其他两相只需画出引线即可。
第三步：为了便于画出星形矢量图，把所有线圈按其上层边所在的槽号统一编号。上层在第一槽的线圈，叫做第1号线圈，上层在第二槽的线圈，叫第2号线圈，依次类推。整个电动机共有36个线圈。把这36个线圈基波感应电势的矢量图画出来，就是星形矢量图（注意：在单层绕组里的矢量图，就是槽导体的基波感应电势矢量图）。
由于线圈之间的空间距离为α=p×360°/Z=2×360°/36=20°电角度，所以，线圈基波感应电势相位也互差20°，画出来的星形矢量图如图3.23所示。
图3.23星形矢量图
第四步：划分相绕组。在单层绕组的安排里，由于星形矢量图画的是槽导体的基波感应电势，所以在星形矢量图中，首先要根据槽导体感应电势安排哪两个槽的导体作为一个线圈的两个线圈边。在双层绕组的星形矢量图里，每一个矢量已代表一个线圈的感应电势，不必再考虑构成绕组的问题了。因此，为了得到三相对称的绕组，可以在星形矢量图中，选取120°电角度范围内的感应电势矢量作为一相。例如，把线圈1、2、3、4、5、6作为A 相，7、8、9、10、11、12作为B 相，13、14、15、16、17、18作为C 相（下一对极也是这样安排）。按这样安排的绕组，叫120°相带绕组。这种绕组有明显的缺点，就是线圈分布范围太广了，同一相的各线圈感应电势方向差别较大，合成的基波感应电势受到的损失太大。也就是说，基波的分布因数较小。例如，在本例中
20sin()sin(6)220.82420sin 6sin 22
dl q k q αα==
= 因此，除了在特殊的情况下采用这种120°相带的绕组外，现在绝大多数的直流无刷电动机，都是采用60°相带绕组。所谓60°相带就是像图3.23所示那样，每相绕组的分布，仅占60°范围。例如，1、2、3归A 相；7、8、9归B 相；13、14、15归C 相（下一对极也是这样安排）。剩下的线圈怎么办呢？线圈4、5、6的感应电势与C 相相反，划归C 相，但需要反方向联接，所以叫做C ′相（或—C 相）。同样，线圈10、11、12划归A 相，叫做A ′相（或—A 相）。线圈16、17、18划归B 相，叫做B ′相（或—B 相）。用了60°相带，基波分布因数必然得到了提高。在本例中
20sin()sin(3)220.9620sin 3sin 22
dl q k q αα=== 第五步：根据星形矢量图上相绕组的划分，画出绕组展开图，如图3.22所示。每相有四组线圈，它们根据设计的要求，可以串联或并联组成不同的支路数。本例采用并联方式，所以把一对极下的两组绕组串联起来再与另一对极的两组绕组并联，成为两个支路。
双层绕组一般存在两种绕组型式，即叠绕组和波绕组。图3.24表示了两种绕组的绕组型式，其中，图a为叠绕，图b为波绕。上面所举的绕组例子就是叠绕组。叠绕组的联接特点是，把一个极下同一相的几个线圈依次串联起来成为一个极相组。由于串联元件是后一个叠在前一个上面，故叫做叠绕组。如上例中把线圈1、2、3及19、20、21连成两个A相的极相组；把线圈10、11、12及28、29、30联成两个X相的极相组，再把这四个极相组串或并联联接成A相的绕组。如采用并联方式，A相绕组的联接如图3.22所示。
图3.24双层绕组的两种绕组型式
a)叠绕b)波绕
叠绕组的优点是，短距时端部可以节约用铜；缺点是，各相绕组之间的联线较长，极数多时费铜。叠绕组一般为多匝导线，主要用于电压、额定电流不太大的中、小型电动机定子绕组中。波绕组的联接特点是把所有同极性下的属于同一相的线圈按照一定的次序联接起来，相联接线圈的外形似波浪形，因此叫作波绕组。由于目前的直流无刷电动机大多数为小型和微型电动机，故多数均采用叠绕组。
2.单双层绕组
直流无刷电动机的绕组安排，有时还采用一种单双层绕组它是由双层绕组演变而来的。仍以36槽4极电动机为例，若做成双层绕组，且y=8/9，每极每相槽数q=z/（2mp）=3。由星形矢量图可知A相绕组占有槽的情况，为看得清楚起见，把A相绕组在整个电动机中占有的槽号排列如下：
槽上层：2，3，4，11，12，13，20，21，22，29，30，31
槽下层：1，2，3，10，11，12，19，20，21，28，29，30
可以看到，A相绕组在有的槽是占有整个槽，有的槽是占有半个槽。
无刷直流电机的组成及工作原理
无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 2.2.2 电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路
无刷直流电动机的主要组成部分有电动机主体
2.1无刷直流电动机的基本结构 无刷直流电动机的主要组成部分有电动机主体、位置传感器与电子开关线路等3部分，如图1-3所示。电动机本体主要包括带有电枢绕组的定子和转子，定子部分最重要的部件是电子的绕组，当电机接上电源后，电流流入绕组，产生磁动势，后者与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电功率，并通过转子输出一定的机械功率从而实现了将电能转换为机械能这个过程。电机的转子是产生励磁磁场的部件，由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导磁材料组成。无刷直流电动机在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼形绕组和其他起动装置。定子绕组一般制成多相（三、 四、五相不等），转子由永久磁铁按一定的极对数（2p=2,4,...）组成，电子开关一般是由功率电子器件和它的控制电路以及转子位置传感器等所组成，以此代替了有刷直流电动机的机械换向装置并通过位置传感器来检测主转子在运行过程中的位置。检测到的位置信号将提供给电动机的控制器，为其正确驱动电子换相提供依据。图1-3所示的电动机本体为2极三相。定子A 、B 、C 相绕组分别于电力开关元件1V 、2V 、 3V 相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。 位置传感器 电动机电子开关线路 图2-1 无刷直流电动机的组成原理图 A C ’B A ’ C B ’V1V2V3
图1-3 无刷直流电动机的组成原理图 定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁铁的磁极产生的磁场相互作用，从而产生转矩，驱动转子旋转；再由位置传感器将转子磁极位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的顺序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 直流无刷电动机中的电子开关线路是用来控制电动机定子各相绕组的通电顺序和时间的，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子的各项绕组，以使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组的导通顺序和时间主要取决于来自转子位置传感器的信号。但位置传感器产生的信号要经过一定的逻辑处理后去控制功率开关。综上所述，组成直流无刷电动 图1-5 直流无刷电动机的组成框图 2 无刷直流电机的工作原理 无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，无刷直流电机的工作过程是电动机本体、位置传感器和电子开关电路三者协同工作的过程，只要有任何一方出了差错，都会对电机的运行造成很大的影响。在无刷直流电机中，借助反映转子位置的位置传感器的输出信号，通过电子开关电路路去驱动与电枢绕组联接的相应的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在主定子上产生跳
直流电机绕组
直流电机 直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。 组成： 直流电机电枢绕组： 通常采用双层绕组。线圈的有效部分包含左、右两个有效边。放在槽内且靠近槽口的有效边叫上层边，靠近槽底的有效边叫下层边。同一槽中上下层间用绝缘纸隔开。同一线圈上下两有效边沿圆周方向的距离即为线圈的跨距，通常用槽距（两相邻槽间距离）的倍数表示。跨距约等于一个极距（相邻两磁极的距离，也常用槽距的倍数表示）。
电枢绕组断路的检查 直流电枢绕组分叠绕组、波绕组和蛙绕组3种。每个线圈的两个出线端连接到换向器的两个换向片上，两者在换向器圆周表面上相隔的距离称为换向器节距，用Ys表示。不同形式的绕组具有不同的换向器节距。 ①叠绕组 有单叠绕组和复叠绕组之分。单叠绕组是将同一磁极下相邻的线圈依次串联起来，构成一条并联支路，所以对应一个磁极就有一条并联支路。单叠绕组的基本特征是并联支路数等于磁极数。各条支路间通过电刷并联。 单叠绕组线圈的换向器节距Ys=1。Ys>1者称复叠绕组。比较常用的是Ys=2的复叠绕组，又称双叠绕组。双叠绕组在一个磁极下有两条并联支路。例如一台四极直流电机，采用双叠绕组时,共有8条并联支路。各条支路间也是通过电刷并联。电刷组数等于电机的极数。其中一半为正电刷组，另一半为负电刷组。叠绕组的并联支路数较多，它等于极数或为极数的整倍数，所以又叫并联绕组。 ②波绕组 有单波绕组和复波绕组。单波绕组的特点是将同极性下的所有线圈按一定规律全部串联起来，形成一条并联支路。所以整个电枢绕组只有两条并联支路。波绕组线圈的换向器节距式中P为磁极对数;k为换向片数；a为使Ys等于整数的正整数，它等于波绕组的并联支路对数。单波绕组的a＝1，而a=2的复波绕组称双波绕组,它可以看成是由两个单波绕组并联而成的复波绕组,故有4条并联支路；a＞2者可类推，但用得很少。 电枢绕组示意图 波绕组从并联电路连接原理上说,只需两组电刷,即一组正电刷和一组负电刷。然而，通常直流电机中波绕组的电刷组数仍然等于其极数，这是为了减轻电刷和换向片接触面上的电
无刷直流电机简介
无刷直流电机简介 导言： 无刷直流电机是一种常用于工业和家用电器的电机类型。相较于传统 的有刷直流电机，无刷直流电机具有更高的效率、更低的噪音和更长的寿命。本文将对无刷直流电机进行详细介绍，包括其原理、结构、工作特性 以及应用领域等方面。 一、原理 无刷直流电机是一种基于霍尔效应的电机。它由转子、定子、永磁体 和驱动电机控制器组成。无刷直流电机的转子由多个钢芯和多个绕组组成，绕组悬浮在转子轴上。当转子转动时，控制器通过电流传感器检测转子位置，进而控制定子绕组的电流方向和大小，从而实现效果良好的转矩输出。 二、结构 无刷直流电机的结构相对简单，由永磁体和转子组成。常见的永磁体 材料有多种选择，如永磁铁氧体、钕铁硼和硬磁材料等。转子通过电机轴 连接到驱动装置上，使转子能够旋转。另外，无刷直流电机通常还具有散 热装置以保持其工作温度。 三、工作特性 1.高效率：无刷直流电机的转换效率通常可以达到90%以上，相较于 有刷直流电机的60%-70%，能够更好地转化电能为机械能，减少能量损耗。 2.高转矩：无刷直流电机具有较高的初始转矩，能够在启动瞬间提供 更大的扭矩，适用于启动重负载。
3.宽调速范围：无刷直流电机的调速范围较宽，可以通过改变驱动电 机控制器的电流和电压来实现。 4.高精度：无刷直流电机的控制器能够精确地检测转子位置和速度， 可以实现高精度的转速控制。 5.低噪音：无刷直流电机由于不需要有刷子，噪音更低，能够在要求 低噪音的场合使用。 四、应用领域 1.工业自动化：无刷直流电机在工业机械自动化中广泛应用，如数控 机床、输送设备、机器人等。 2.家电：无刷直流电机可用于家电产品中，如电风扇、吸尘器、洗衣 机等。 3.电动工具：无刷直流电机在电动工具中的运用越来越普遍，如电钻、电锤等。 4.汽车工业：无刷直流电机在汽车工业中应用广泛，如电动车、车载 空调、电动窗等。 5.医疗设备：无刷直流电机在医疗设备中有着重要的应用，如手术机 器人、血液离心机等。 结语： 无刷直流电机以其高效率、高性能和低噪音的特点，成为现代工业和 家庭电器中一种重要的驱动装置。通过深入了解无刷直流电机的原理、结构、工作特性以及应用领域，可以更好地利用其优势，应用于各个领域， 推动科技进步和社会发展。
无刷直流电机的工作原理
1.2 无刷直流电机的工作原理 1.2.1 无刷直流电机的特点 直流电机主要有直流有刷电机和无刷直流电机两种。 1．有刷直流电机 直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点著称，其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器，使得驱动方法简单，其模型示意图如图 1.2 所示。 电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子〔电枢〕、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流，电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样，直流电机的转子就会持续运转下去。 由些可见，换向器和电刷在直流电机中扮演着重要的角色，虽然它可以简化电机控制器的结构，但是，它自身却存在一定的缺点： z 结构相对复杂，增加了制造本钱； z 容易被环境〔如灰尘等〕影响，降低了工作的可靠性； z 换向时会产生火花，限制了使用范围； z 容易损坏，增加了维护本钱等。 2．无刷直流电机 无刷直流电机〔Brushless Direct Current Motor, BLDCM〕的诞生，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，所以无刷直流电机既具有直流电
机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。 图 1.3 所示无刷直流电机模型，它是从图转化过来的模型。它主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器〔可有可无〕组成。可见，它和直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构差不多〔原来的定子变为转子，转子变为定子〕，绕组的连线也根本相同。但是，结构上它们有一个明显的区别：无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构就相对简单，降低了电机的制造和维护本钱，但无刷直流电机不能自动换向〔相〕，牺牲的代价是电机控制器本钱的提高〔如同样是三相直流电机，有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管，而无刷直流电机的驱动桥那么需要 6 只功率管〕。 图 1.3 所示为其中一种小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机，它的定子在内，转子在外，结构和图 1.2 所示的直流电机很相似。另一种无刷直流电机的结构和这种刚刚相反，它的定子在外，转子在内，即定子是线圈绕组组成的机座，而转子用永磁材料制造。 无刷直流电机有以下的特点： z 无刷直流电机的外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩； z 无刷直流电机的速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行； z 无刷直流电机的效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现； z 无刷直流电机的再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发
永磁无刷直流电机的结构
永磁无刷直流电机的结构 一、引言 永磁无刷直流电机是一种高效率、高功率密度的电机，被广泛应用于 家用电器、工业自动化、交通运输等领域。本文将介绍永磁无刷直流 电机的结构。 二、永磁无刷直流电机的基本结构 1.转子 永磁无刷直流电机的转子由永磁体和轴承组成。永磁体通常采用稀土 永磁材料，具有高矫顽力和高能量密度等特点，能够提供强大的磁场。轴承则起到支撑和定位转子的作用。 2.定子 永磁无刷直流电机的定子由铜线圈和铁芯组成。铜线圈通常采用绕组 方式制成，通过在定子中产生旋转磁场来驱动转子旋转。铁芯则起到 集中和导向磁场的作用。 3.传感器 为了实现精确控制和保护，永磁无刷直流电机通常配备传感器。传感 器可以测量旋转速度、位置和温度等参数，并将其反馈给控制器进行 处理。
4.控制器 永磁无刷直流电机的控制器是一个重要的部件，它可以实现电机的启停、速度和位置控制、保护等功能。控制器通常由微处理器、功率驱动芯片和其他电路组成。 三、永磁无刷直流电机的工作原理 永磁无刷直流电机的工作原理基于法拉第定律和洛伦兹力定律。当通过定子绕组通以直流电时，会在定子中产生一个旋转磁场。由于转子上有永磁体，所以会在转子上产生一个与定子磁场相互作用的力，从而使转子开始旋转。传感器可以测量转子位置和速度，并将其反馈给控制器进行处理，从而实现精确控制。 四、永磁无刷直流电机的优点 1.高效率：由于采用了无刷结构，永磁无刷直流电机具有高效率和低能耗。 2.高功率密度：由于采用了稀土永磁材料和先进加工技术，永磁无刷直流电机具有高功率密度。 3.精确控制：配备传感器和控制器，可以实现精确的速度和位置控制。 4.可靠性高：由于无刷结构和传感器的使用，永磁无刷直流电机具有较
直流无刷无霍尔电机工作原理
直流无刷无霍尔电机工作原理 直流无刷无霍尔电机是一种先进的电机类型，其工作原理基于电子换向技术，而不是传统的机械换向方式。这种电机具有高效率、高可靠性、长寿命和低噪声等优点，因此在许多领域得到了广泛应用。 一、直流无刷无霍尔电机的结构 直流无刷无霍尔电机主要由定子、转子和电子换向器三部分组成。定子通常由铁芯和绕组组成，绕组中通入直流电流以产生磁场。转子则由永磁体构成，其磁极与定子的绕组相对。 电子换向器是直流无刷无霍尔电机的核心部件，它负责将直流电流从定子转换到转子，实现电机的连续不断地运转。 二、直流无刷无霍尔电机的原理 1.电子换向器工作原理 电子换向器由功率半导体开关器件构成，通过控制开关器件的通断，实现电流的换向。当电流从某一开关器件通过时，该器件处于导通状态，电流流向转子；当电流从另一开关器件通过时，该器件处于截止状态，电流流向另一侧绕组。通过不断控制开关器件的通断，实现电流的连续不断地换向。 1.磁场产生与转矩产生 当电流通过定子绕组时，产生磁场。当转子永磁体进入该磁场时，根据电磁感应原理，转子永磁体产生感应电动势，进
而产生感应电流。这个感应电流与定子磁场相互作用，产生转矩，推动转子转动。随着转子的转动，转子永磁体与定子绕组之间的相对位置发生变化，导致磁场分布和感应电动势的变化，从而改变转矩的方向。 1.位置检测与控制 为了实现电机的连续不断地运转，需要检测转子的位置并控制开关器件的通断。通常采用光电编码器或霍尔传感器等位置检测装置来检测转子的位置。根据转子位置信号，控制电路决定开关器件的通断顺序，从而实现电机的连续不断地运转。 三、直流无刷无霍尔电机的优点 1.高效率：由于采用电子换向技术，避免了传统机械换向 方式中的摩擦损耗和磁滞损耗，提高了电机的效率。 2.高可靠性：由于没有机械摩擦和磨损，电机的寿命大大 延长。同时，由于电子换向器的控制精度高，电机的运行稳定性也得到了提高。 3.低噪声：由于没有机械摩擦和撞击，电机的噪声较低。 4.调速性能好：直流无刷无霍尔电机可以通过改变输入电 压或电流来实现调速，调速范围广，响应速度快。 5.节能环保：由于高效率、低噪声等特点，直流无刷无霍 尔电机符合节能环保的要求。
三相无刷直流电机系统结构及工作原理
三相无刷直流电机系统结构及工作原理 2.1电机的分类 电机按工作电源种类可分为： 1.直流电机： (1)有刷直流电机： ①永磁直流电机： ·稀土永磁直流电动机； ·铁氧体永磁直流电动机； ·铝镍钴永磁直流电动机； ②电磁直流电机： ·串励直流电动机； ·并励直流电动机； ·他励直流电动机； ·复励直流电动机； (2)无刷直流电机： 稀土永磁无刷直流电机； 2.交流电机： (1)单相电动机； (2)三相电动机。 2.2无刷直流电机特点 ·电压种类多:直流供电交流高低电压均不受限制。 ·容量范围大:标准品可达400Kw更大容量可以订制。 ·低频转矩大:低速可以达到理论转矩输出启动转矩可以达到两倍或更高。 ·高精度运转:不超过1 rpm.(不受电压变动或负载变动影响)。 ·高效率:所有调速装置中效率最高比传统直流电机高出5～30%。 ·调速范围:简易型/通用型(1:10)高精度型(1:100)伺服型。 ·过载容量高:负载转矩变动在200%以内输出转速不变。 ·体积弹性大:实际比异步电机尺寸小可以做成各种形状。 ·可设计成外转子电机(定子旋转)。 ·转速弹性大:可以几十转到十万转。 ·制动特性良好可以选用四象限运转。 ·可设计成全密闭型IP-54IP-65防爆型等均可。 ·允许高频度快速启动电机不发烫。 ·通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同易于技术改造。
2.3无刷直流电机的组成 直流无刷电动机的结构如图2.1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、无相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4，…）组成。 图2.1 直流无刷电动机的结构原理图 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生的转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换相作用。如图2.2所示。 图2.2 无刷直流电动机基本结构图 因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2.3所示。
直流无刷电机模型
无刷直流电机绕组中产生的感应电动势与电机转速匝数成正比，电枢绕组串联公式为 其中，E为无刷直流电机电枢感应线电动势（V）；p为电机的极对数；α为极弧系数；W为电枢绕组每相串联的匝数；φ为每极磁通（Wb）；n为转速（r／min）。在反电动势E 和极对数p已经确定的情况下，为使电机具有较大的调速范围，就须限制电枢绕组的匝数W。因此，磁悬浮飞轮电机绕组电感和电阻都非常小，使得电机在运行过程中，相电流可能存在不连续状态。 假定电机定子三相完全对称，空间上互差120°电角度；三相绕组电阻、电感参数完全相同；转子永磁体产生的气隙磁场为方波，三相绕组反电动势为梯形波；忽略定子绕组电枢反应的影响；电机气隙磁导均匀，磁路不饱和，不计涡流损耗；电枢绕组间互感忽略。公式中，Va、Vb、Vc和Vn分别为三相端电压和中点电压（V），R和E为三相电枢绕组电阻（Ω）和电感（H），Ea、Eb和Ec为三相反电动势（V），ia、ib．和ic为三相绕组电流（A）。可将无刷直流电机每相绕组等效为电阻、电感和反电动势串联。无刷直流电机绕组采用三相星形结构，数学模型方程如式(2-2)所示： 在电机运行过程中，电磁转矩的表达式为 电机的机械运动方程为 式中，te和TL分别为电磁转矩和负载转矩（Nm）；J为转子的转动惯量（kg·2m）；f 为阻尼系数（N·m·s）。电机设计反电动势为梯形波，其平顶宽度为120°电角度，梯形波的幅值与电机的转速成正比。其中，反电动势系数乃e由以下公式计算为
电机转子每运行60°电角度进行一次换相，因此在每个电角度周期中，三相绕组反电动势有6个状态。 电机运行过程中瞬态功耗的公式为 其中，Ω为电机角速度，P为功耗。 永磁无刷直流电机的控制可分为三相半控、三相全控两种。三相半控电路的特点简单，－个可控硅控制一相的通断，每个绕组只通电1／3的时间，另外2／3时间处于断开状态，没有得到充分的利用。在运行过程中转矩的波动较大，从Tmax/2变到Tmax，因此，采用了三相全控式电路，以下将以二相导通Y形三相六状态永磁无刷直流电机为例具体说明其工作原理，图1所示为三相全波逆变桥与Y形电机绕组接法。 图1 三相全波逆变桥与Y形电机绕组接法 整个系统工作过程如下：控制电路对霍尔传感器检测到的转子位置信号进行逻辑变换，产生可控的6路驱动信号，经过逆变器的功率开关管后，送入电机的三相绕组，进而控制电机按某一固定的方向运转。 当转子转至图2a所示的位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经控制电路逻辑
无刷直流电动机1基本组成环节无刷直流电动机的基本结构见图4
无刷直流电动机 1基本组成环节 无刷直流电动机的基本结构见图1-4。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成。无刷直流电动机的转子是由永磁材料制成的、具有一定磁极对数的永磁体。转子的结构分为两种：第一种是将瓦片状的永磁体贴在转子外表上，称为凸极式；另一种是将永磁体内嵌到转子铁心中，称为嵌入式。为了能产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机的转子磁钢的形状呈弧形（瓦片形），磁极下定转子气隙均匀，气隙磁场呈梯形分布。定子上有电枢绕组，这一点与永磁有刷直流电动机正好相反，无刷直流电动机的定子电枢绕组采用整距集中式绕组。绕组的相数有二、三、四、五相，但应用最多的是三相和四相。各相绕组分别与外部的电子开关电路相连，开关电路中的开关管受位置传感器的信号控制。 图1-4无刷直流电动机的结构原理图 图1-4中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关电路中相应的功率开关器件连接，在图1-4中，A相、B相、C相绕组分别与功率开关管 V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱
动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关电路的导通次序是转子转角同步的，因而起到了机械换向器的作用。 因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图1-5所示。 图1-5无刷直流电动机原理框图 2无刷直流电动机的工作原理 现在以三相Y型连接全控电路两两导通方式为例，说明无刷直流电动机的运行原理，如图1-6 图1-6三相Y型连接全桥驱动电路 两两导通方式是指每一瞬间有两个功率开关导通，每隔1/6周期即60o电角度，换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管导通120o电角度。各功率管的导通顺序是T1T2-T2T3-T3T4-T4T5-T5T6-T6T1-T1T2-……。当功率管T1T2导通
无刷直流电机 工作原理
无刷直流电机工作原理 无刷直流电机是一种基于电磁感应原理工作的电动机，它采用了无刷换向技术，相较于传统的有刷直流电机具有更高的效率、更低的噪音和更长的使用寿命。下面将通过人类的视角，详细介绍无刷直流电机的工作原理。 我们来了解一下无刷直流电机的构造。无刷直流电机由转子和定子两部分组成。转子上固定有多个永磁体，而定子上则布置有若干个绕组，绕组上通过电流产生磁场。转子和定子之间通过磁场相互作用，从而实现电能到机械能的转换。 在无刷直流电机的工作过程中，首先需要将直流电源接入电机的绕组上。当电流通过绕组时，绕组上产生的磁场与转子上的永磁体磁场相互作用，使得转子受到电磁力的作用而开始旋转。这是无刷直流电机启动的第一步。 接下来，为了保持转子的旋转方向和速度的稳定，需要实时地检测转子的位置。通常采用霍尔传感器来感知转子位置，将感知到的位置信息反馈给控制器。控制器根据转子位置信息，决定哪些绕组需要通电，以及通电的方式和时间。 通过控制器的精确计算和控制，可以实现绕组的准确通电，从而使转子保持稳定的旋转。具体而言，当转子转动到某个位置时，控制器会关闭该位置相应的绕组，同时打开下一个位置相应的绕组，以
此类推。通过这种方式，控制器可以实现无刷直流电机的换向操作。通过不断地换向操作，无刷直流电机可以持续地旋转，实现电能到机械能的转换。同时，由于无刷直流电机采用了无刷技术，没有了摩擦产生的火花和磨损，因此具有更长的使用寿命和更低的噪音。 总的来说，无刷直流电机通过电磁感应原理实现了电能到机械能的转换。通过精确的控制器计算和控制，无刷直流电机可以实现稳定、高效、低噪音的工作。它在家电、工业设备、电动车等领域具有广泛的应用前景。
无刷直流电动机绕组电阻和电感的计算
无刷直流电动机绕组电阻和电感的计算 4.7.1 电阻的计算 在式（4-17）给出一相绕组电阻R p的表达式，适用于初始设计计算。 如果已计算得到电机一相绕组串联匝数W p，并联股数N，绕组平均半匝长L av（cm），已选择导线直径d，由手册可查得相应的单位长度电阻值r（Ω/m），一相绕组电阻可按下式计算： R p=2rW p L av×10-2/N 4.7.2 电感的计算 无刷直流电动机原理结构与一般永磁同步电动机相同，其电感计算可参考传统的永磁同步电动机计算方法进行。无刷电机的自感L a是电枢反应电感L d，槽漏电感L s和绕组端部电感L w的总和。对于磁片表面贴装的三相星形连接的无刷直流电动机，可以忽略d轴和q轴电枢反应磁场的差别，认为电枢反应电感与转子位置无关。 利用电磁场有限元分析可以求解得到无刷直流电机的电感参数。已有几种计算软件可以应用。目前，采用有限元计算电感参数的首选是能量摄动法。例如利用ANSYS有限元分析软件对永磁无刷直流电机的电磁场进行分析计算，通过能量摄动法计算定子绕组的自感和互感。 下面介绍便于工程计算的无刷直流电动机电感计算公式。 整数槽无刷直流电动机电枢反应电感是 式中，τp为极距，。 得
式中，μ0=4π×10-7H/m；D和L是定子气隙直径和铁心有效长度（m）；W 是一相绕组串联匝数；δe是等效气隙长度，它由机械气隙长度δ，磁铁厚度h m 和卡特系数K C决定： δe=（δ+h m）K C 由于集中绕组分数槽无刷电机的电枢反应磁场与整数槽电机完全不同，每个齿的电感线圈电流产生磁场有三个不同的组成部分：气隙，槽和绕组端部。其中气隙的磁通Φ通过每个齿距τs产生磁链，与转子极距τp无关，如图4-24所示。参考文献［22］给出集中绕组电机电枢反应电感计算公式 由齿距 得 除了主电感外，根据电机设计的传统概念，漏电感常按以下几部分漏电感之和计算：槽漏感L s，齿顶漏感L t，气隙（谐波）漏感Lδ，绕组端部漏感L ew，斜槽漏感L sq。下面只介绍集中绕组分数槽无刷电机的槽漏感L s和绕组端部漏感L ew的计算方法。
无刷直流电机结构
1. 磁回路分析法 图1-4 （摘自Freescale PZ104文档） 在图1-4中，当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度B（如粗箭头方向所示），而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。 “当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大”。注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大。诚然，在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为0，当然也就不会转动了。 当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动，见图1-5所示： 图1-5 （摘自Freescale PZ104文档） 如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作，就叫做换相（commutation）。注意：何时换相只与转子的位置有关，而与转速无关。 以上是两相两级无刷电机的工作原理，，下面我们来看三相两极无刷电机的构造。 2. 三相二极内转子电机结构 定子三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最常用。
图1-6 （修改自Freescale PZ104文档） 图1-6显示了定子绕组的联结方式（转子未画出），三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A, B, C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB, AC, BC, BA, CA, CB，图1-7(a)~(f)分别描述了这6种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度的方向（红、兰色表示）和两个线圈的合成磁感应强度方向（绿色表示）。 在图(a)中，AB相通电，中间的转子（图中未画出）会尽量往绿色箭头方向对齐，当转子到达图(a)中绿色箭头位置时，外线圈换相，改成AC相通电，这时转子会继续运动，并尽量往图(b)中的绿色箭头处对齐，当转子到达图(b)中箭头位置时，外线圈再次换相，改成BC相通电，再往后以此类推。当外线圈完成6次换相后，内转子正好旋转一周（即360°）。再次重申一下：何时换相只与转子位置有关，而与转速无关。 图1-8中画出了换相前和换相后合成磁场方向的比较与转子位置的变化。一般来说，换相时，转子应该处于，比与新的合成磁力线方向垂直的位置不到一点的钝角位置，这样可以使产生最大的转矩的垂直位置正好处于本次通电的中间时刻。 (a) AB相通电情形(b) AC相通电情形 (c) BC相通电情形(d) BA 相通电情形 (e) CA 相通电情形(f) CB相通电情形
(完整版)三相无刷直流电机系统结构及工作原理
机电按工作电源种类可分为： 1.直流机电： (1)有刷直流机电： ①永磁直流机电： ·稀土永磁直流电动机； ·铁氧体永磁直流电动机； ·铝镍钴永磁直流电动机； ②电磁直流机电： ·串励直流电动机； ·并励直流电动机； ·他励直流电动机； ·复励直流电动机； (2)无刷直流机电： 稀土永磁无刷直流机电； 2.交流机电： (1)单相电动机； (2)三相电动机。 ·电压种类多:直流供电交流高低电压均不受限制。 ·容量范围大:标准品可达 400Kw 更大容量可以订制。 ·低频转矩大:低速可以达到理论转矩输出启动转矩可以达到两倍或者更高。 ·高精度运转:不超过 1 rpm. (不受电压变动或者负载变动影响)。 ·高效率:所有调速装置中效率最高比传统直流机电高出 5~30%。 ·调速范围:简易型/通用型(1:10)高精度型(1:100)伺服型。· 过载容量高:负载转矩变动在 200%以内输出转速不变。 ·体积弹性大:实际比异步机电尺寸小可以做成各种形状。 ·可设计成外转子机电(定子旋转)。 ·转速弹性大:可以几十转到十万转。 ·制动特性良好可以选用四象限运转。 ·可设计成全密闭型 IP-54IP-65 防爆型等均可。 ·允许高频度快速启动机电不发烫。 ·通用型产品安装尺寸与普通异步机电相同易于技术改造。
直流无刷电动机的结构如图 2.1 所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关路线三部份组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组普通制成多相 (三相、四相、无相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2,4，…)组成。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生的转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关路线的导通次序是与转子转角同步的，于是起到了机械换向器的换相作用。如图 2.2 所示。 因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关路线、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图 2.3 所示。
外转子无刷直流电机的运行原理
外转子无刷直流电机的运行原理 1 无刷直流永磁电机的发展历程 交流同步电机具有良好的运行性能，但是其启动性能差；交流感应电机具有结构简单、运行可靠的特点，但是其调节性能差；直流电机因其具有良好的调节性能和启动性能而被业界广泛使用。但是，对于有刷直流电机而言，由于存在电刷和换向器的机械接触机构，并产生换向火花、电磁干扰、寿命短和可靠性等问题，从而限制了它的使用范围。 长期以来，人们希望能够在保持有刷直流电机的良好调节性能和启动性能的前提下，消除其不足之处。随着微电子器件和电力电子器件方面的进步为实现这种理想创作了必要条件。经过较长时间的摸索，人们终于用电子换向代替机械换向；把原先处于电机内部的旋转电枢变成处于外部的静止电枢；把原先处于电机外部的静止磁场变成处于内部的旋转磁场，从而使有刷直流电机转变成了无刷直流永磁电机（BLDCM）。 2 无刷直流永磁电机的工作原理 在无刷直流永磁电机中，电枢绕组被设置在定子上，永磁体磁极被设置在转子上。定子各相电枢绕组相对于转子永磁体磁场的位置，由转子上的位置传感器通过电子方式或电磁方式所感知；并利用其输出信号，通过电子换向电路，按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕相连接的相应的功率开关晶体管，控制电流开关或者换向到相应的电枢绕组。随着转子的转动，转子位置传感器不断发送出信号，致使电枢绕组不断地的依次通电，不断地改变通电状态，从而使得在某一磁极下的线圈导体中流过的电流方向始终不变，这就是无刷直流永磁电机的无接触电子换向的本质。 无刷直流永磁电机可以被制作成内转子式、外转子式和双定转子式等类型结构，分别作下简单介绍如下： ⑴内转子式结构 一般而言，电机的定子在外面，转子在里面。在传统的有刷直流永磁电机中，定子磁场在外面，转子电枢在里面。无刷直流永磁电机出现后，使电枢从里面走到外面，有转子变成了定子。这种结构称之为“内转子结构”，如图1.1 ⑵外转子式结构 在实际使用中，有时为了满足某些电机机械的特殊技术要求，把无刷直流永磁电机的定子电枢做到里面，而把带有永磁体的转子做在外面，这种结构称之为“外转子结构”，如图1.2 ⑶双定转子式 双定转子式结构实际上是在内部相互配套的两台电机，它具有两个转子、两个定子和两个工作气隙，外面的一台电机是外转子式结构，里面的一台电机是内转子式结构。根据内外转子上永磁体的不同配置，又分为N-N型和N-S型，分别如图1.3和图1.4 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。此处P6 图1.1.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。此处P6 图1.2.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。此处P6 图1.3.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
无刷直流电机绕组
第三章 直流无刷电动机的绕组 第一节 概述 同其他类型电动机一样，直流无刷电动机本体也是由定子和转子两大部件构成。转子是指电动机在运行时可以转动的局部，通常由转轴、永久磁钢及磁轭等部件组成。其主要作用是在电动机的气隙产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生感应电势，以驱动自身运转。定子是指电动机在运行时不动的局部，主要由硅钢冲片同分布在它们槽的绕组以及机壳、端盖、轴承等部件组成。所谓"绕组〞，是指一些按一定的规律连接起来的线圈的总和。绕组通电后，与转子磁钢所产生的磁场相互作用，产生力或感应电势驱使转子带动负载一块转动。转子磁钢转动后，其磁力线反过来又切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，反过来又影响了电动机电动势的平衡关系。可见通电绕组和磁场之间的相互作用，是电动机部机电能量转换的主要媒介。只有搞清电动机磁场的分布和作用情况，才能确切地分析绕组所产生的感应电势和感生电动势的大小及方向，以便导出电动机的感应电势平衡方程和电动势平衡方程。然而离开了绕组的具体构造及联接方式，很难讲清楚电动机机电能量转换的根本过程，对感应电动势、电路参数和电磁感应电势等根本问题，也会感到空洞或不着边际。在本章里，将结合直流无刷电动机的根本性能要求来讨论绕组构造的一些根本问题。为了简明扼要地分析有关绕组问题，首先对直流无刷电动机的磁路及气隙磁通作些必要的描述和简化。 第二节 直流无刷电动机磁场的简化 在直流无刷电动机中，主磁场一般由转子磁钢产生，通常用主磁路如图3.1所示，它通过相邻两个极的中心线，经定子和转子铁心闭合。主磁路主要由气隙、定子齿、定子轭和转子轭几局部组成。图中，U Φ为工作磁通，M Φ为永久磁钢磁通，ΦS 为漏磁通。 图3.1电动机部磁路 1—定子铁心2—软铁极靴3—永久磁钢 严格地说，直流无刷电动机的磁场是含有不同磁介质的三维场，由于其几何形状复杂，又含有铁磁物质等非线性因素，使得问题变得非常复杂。在工程分析中，为了突出主要的过程，抓住主要矛盾，常作以下简化。如有必要，当对*些问题做进一步的深入研究时，再对*个被忽略的因素进展一定的补差和适当的修正。〔1〕不计端部效应。即不计电动机主磁场向两端的扩散，则在电动机绕组直线局部气隙中的磁场没有轴向分量，这样一来，就把气隙的磁场简化为一个二维平面场；〔2〕不计铁心局部的磁压降及铁心的磁滞、涡流效应。这样，铁心