无刷直流电动机毕业设计绪论

无刷直流电动机一、简介：一种用电子换向的小功率直流电动机。

又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。

它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。

这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。

同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

无刷电动机结构如图1。

图1无刷直流电动机结构图二、特点（优点及意义）：1、全面替代直流电机调速、全面替代变频器+变频电机调速、全面替代异步电机+减速机调速；2、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；33、具有传统直流电机的所有优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；4、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；5、无级调速，调速范围广，过载能力强；6、体积小、重量轻、出力大；7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%，仅节电一项一年可收回购置成本；9、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；10、耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；11、没有无线电干扰，不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；12、根据需要可选梯形波磁场电机和正旋波磁场电机。

i三、发展历程：无刷电动机的诞生标志是1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利。

而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。

之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。

20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。

无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。

直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。

为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。

1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。

而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。

之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。

20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。

无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。

ii四、国内外无刷电机的发展现状：1、市场：我国无刷直流电机的研制开发起于70年代初期，主要是为我国自行研制的军事装备和宇航技术发展而配套。

由于需要量少，只需由某些科研单位试制提供就能满足要求。

经过20多年的发展，虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷电机产品是总和了电机、微电子、控制、计算机等技术于一身的高技术产品，受到了我国基础工业落后的制约，因此无论在产量、品种、质量及应用上与国际先进水平差距甚大。

目前，国内研制的单位虽然不少，但能有一定批量的单位却屈指可数。

当今日本、德国、台湾是无刷电机主要生产国和地区，日本的年产量超过8000万台，其中约50%出口海外，德国年产量约3000万台，台湾主要生产较低档次无刷电机，年产量超过1000万台。

iii2、技术：几乎所有的无刷电动机产品都是为特定用途设计制造的。

试图生产一种通用系列无刷电动机来适应千变万化的市场需求，是不可能的。

各公司设计制造各种特殊结构、特定用途的无刷直流电动机，在设计、结构和工艺新技术方面不断的革新，以适应不同整机市场的需求。

例如：①永磁材料技术：适应不同性能参数永磁材料，瓦型、环型表面粘接结构和各种不同设计嵌入式内磁体结构等新的转子磁路结构出现。

出现各种外转子、轴向气隙（平面电机）、无齿槽结构电机、直线式无刷直流电动机等。

无论是采用铁氧体永磁或稀土永磁的永磁无刷直流电动机，常见的永磁转子结构是表面粘贴式（SPM）。

②转子结构技术：近年，日本各知名家电厂商在新一代变频空调压缩机的永磁无刷直流电动机中，分别采用了各自的专利转子结构，嵌入式永磁（IPM）转子结构已成为主流。

IPM转子结构的电动机可得到较高的效率，增强转子抗高速离心力能力。

③定子铁磁结构技术：在结构和工艺革新的例子：分割型定子铁心结构和连续绕线工艺方法的采用。

对于节距y=1分数槽设计，用专用绕线机直接绕制定子线圈，对于外转子结构的电机比较方便；但对于内转子结构的电机，特别是定子内径小的小功率电机，就要困难得多了。

为此，一些分割型定子铁心结构的构思提出来了。

这种分割型定子铁心结构工艺技术使永磁无刷直流电动机生产实现高效率、大批量、自动化，日本有多家厂商效法，推出自己专利的定子铁心分割方案。

这一技术已开始引起国内个别厂家关注，并进行探索试验。

④分槽技术：在电机设计方面，过去，无刷直流电动机大多采用整数槽设计。

近年，分数槽技术在永磁无刷直流电动机的应用日益增多。

无刷直流电动机采用分数槽技术有如下一些好处：a、对于多极的无刷电动机可采用较少的定子槽数，有利于槽满率的提高，进而提高电动机性能；同时，较少数目的元件数，可简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本。

b、增加绕组的短（长）距和分布效应，改善反电势波形的正弦性。

c、有可能得到线圈节距 y = 1的设计（集中绕组），每个线圈只绕在一个齿上，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度，减低用铜量；各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘。

d、有可能使用专用绕线机，直接将线圈绕在齿上，取代传统嵌线工艺，提高工效；e、提高电动机性能；槽满率的提高，线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短，使电动机绕组电阻减小，铜损随之也减低，进而提高电动机效率和降低温升。

f、降低齿槽反应转矩，有利于减少振动和噪声；总之，分数槽技术的应用有利于无刷电动机的节能、节材、小型化、轻量化、省工、生产自动化，从而可以降低产品成本，争强了产品竞争力。

⑤电机控制技术：性能更加优越的DSP(数字信号处理器)电机控制器的应用增多就系统的控制器而言，因运动控制系统是快速系统，特别是交流电机高性能的控制需要实时快速处理多种信号，为进一步提高控制系统的综合性能，近几年国外一些大公司纷纷推出较MCU（单片微控制器）性能更加优越的DSP(数字信号处理器)单片电机控制器，如ADI的ADMC3xx系列，TI的TMS320C24系列及Motorola的DSP56F8xx系列。

都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。

现DSP的最大速度可达20～40MIPS以上，指令执行时间或完成一次动作的时间快达几十纳秒，它和普通的MCU相比，运算及处理能力增强10～50倍，确保系统有更优越的控制性能。

Microchip Technology （美国微芯科技公司）日前宣布其六款dsPIC16位数字信号控制器（DSC）现已投入量产。

新器件的运算速度可达20和30MIPS，配备自编程闪存，并能在工业级温度和扩展级温度范围内工作。

这些卓越的性能特性使六款新数字信号控制器成为需要更高精确度、更快转速或无传感控制的电机控制应用领域的理想解决方案。

Microchip的dsPIC数字信号控制器既拥有16位闪存单片机的高性能，又兼具数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据吞吐能力。

16位单片机为核心的dsPIC数字信号控制器不仅具有功能强大的外围设备和快速中断处理能力，又融合了可管理高速计算活动的数字信号处理器功能，堪称嵌入式系统设计的最佳单芯片解决方案，从而使设计人员能够将多种功能集成在一起，同时节省电路板空间。

dsPIC30F2010采用28管角SOIC及SPDIP封装，具有12K字节增强型闪存，特别适合采用先进算法的电机控制应用。

dsPIC30F2010和dsPIC30F6010均具有脉宽调制（PWM）模块和一个500KSPS的10位模数转换器，是控制多种不同类型电机的理想之选，如三相交流感应电机、三相无刷直流电机及开关式磁阻电机等。

⑥位置传感器技术：a（无位置传感）：无位置传感器控制技术逐步完善按照无刷直流电动机工作原理，必须要有转子磁极位置信号来决定电子开关的换相。

目前，大多数采用安装位置传感器（例如霍尔元件）方法来得到这些信号。

它有必须占用电机一些空间、安装位置对准、需较多引出线、影响可靠性等缺点。

在某些场合，如压缩机内有高温高压环境，不允许安放霍尔元件。

为此，80年代以来，微机控制技术的快速进展，出现了各种称为无位置传感器控制技术方法，是当代无刷直流电动机控制研究热点之一，它从电子电路以软件方法获得转子磁极位置信号，实现电子换相。

在诸多方法中，以反电势法较成功。

它检测不激励相绕组的反电势过零点，经过运算后，决定换相时刻。

这也是硬件软件化的一个成功例子。

b（正弦波位置传感控制）：正弦波控制方式更被关注，如前所述，无刷直流电动机的电子换相控制模式分为两大类：方波驱动和正弦波驱动。

就其位置传感器和控制电路而言，方波驱动相对简单、价廉而得到广泛应用，是目前绝大多数无刷直流电动机的驱动方式；正弦波驱动需要高分辨率位置传感器，如旋转变压器、光电编码器，控制电路相对复杂，成本较高。

正弦波驱动是借助高分辨率位置传感器作用，以强制提供正弦波相电流为特征的无刷直流电动机电子换相方法。

与方波驱动相比，它具有低转矩波动、平滑的运动、小的可闻噪声，和容易利用领先角技术实现弱磁控制，拓宽调速范围等优点。

过去主要用于军用、工业用较高要求的伺服系统。

高速MCU和DSP控制器的普及应用和价格大幅度降低,使性能优异的正弦波电流控制方式在价格方面的限制得到缓解,更受关注。

例如,西门子公司早期开发的1F5系列方波电流控制方式的无刷直流电动机现在已经停止生产，代之以正弦波电流控制方式的1F6系列。