水下電機(精)

1、水下推進電機1. 交流、直流電機原理簡介交流電機大致可分為同步電機和異步電機。同步電動機是由直流供電的勵磁磁場與電樞的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的交流電動機。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同的交流電機。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁極對數(shù)p、電源頻率f之間滿足n=60f/p。轉(zhuǎn)速n決定于電源頻率f，故電源頻率一定時，轉(zhuǎn)速不變，且與負載無關(guān)。感應(yīng)電動機又稱“異步電動機”，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導(dǎo)體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機中不轉(zhuǎn)動的部分，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場并不是用機械方法來實現(xiàn)。而是以交流電通于數(shù)對電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)

2、循環(huán)改變，故相當于一個旋轉(zhuǎn)的磁場。直流電機里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖儯虼舜藭r轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機能保持一個方向轉(zhuǎn)動。2. 電機選取一般來說，水下電機既是系統(tǒng)的驅(qū)動，同時又作為系統(tǒng)自身的負載存在，因而在實際應(yīng)用中，總是希望水下電機具有較高的功率密度，以此來滿足水下電機的小型化、輕型化要求，同時要求電機效率高，出力大，動態(tài)響應(yīng)好，安全性高等特性，并具有一定程度的容錯性。交流感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，但是調(diào)節(jié)性能差；而直流電機具有良好的調(diào)節(jié)性

3、能和啟動性能。但是有刷直流電機的電刷造價高，而且容易產(chǎn)生換向火花，換向時會產(chǎn)生電磁干擾，而且可靠性也不夠高。20世紀五六十年代，微電子器件和電力電子器件的發(fā)展使得電子換向取代了機械換向，從而使有刷電流電機變成了直流無刷電機(BLDC )。稀土永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠;體積小，重量輕;損耗小，效率高;電機形狀和尺寸靈活多樣等優(yōu)點，應(yīng)用極為廣泛。而永磁直流無刷電機的特點是可控性好，調(diào)速范圍寬;可靠性好，工作壽命長;采用永磁體產(chǎn)生氣隙磁場，功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)子損耗小，效率較高;具有電子控制部分和電子多相逆變器。這些特點剛好滿足水下電機的性能要求，現(xiàn)階段國外水下推進器普遍采用這種電機，功率等級也在逐

4、步提高。3. 直流無刷電機直流無刷電機主要由定子、轉(zhuǎn)子和位置傳感器加電子換相電路三部分組成。其結(jié)構(gòu)原理轉(zhuǎn)子為永磁磁鋼，電樞繞組分布在定子上，通過位置傳感器和電子開關(guān)電路(電子換相)使定子產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子的磁場始終保持垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩帶動轉(zhuǎn)子不停地旋轉(zhuǎn)。4.電子換向過程和轉(zhuǎn)動控制原理定子繞組采用三相繞組星型連接，電子換向電路采用三相全橋電路。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的換向過程如下:(1) t=0o時，圖3-1中功率開關(guān)晶體管1, 6導(dǎo)通，電流方向從電源正極流出經(jīng)晶體管1，U，V，6，流向電源負極;(2) t=60o時，功率開關(guān)晶體管1, 5導(dǎo)通，電流經(jīng)正極，晶體管1，U，W，5流向電源負極;

5、(3) t=120o時，功率開關(guān)晶體管3，5導(dǎo)通，電流經(jīng)正極，晶體管3，V，W，5流向電源負極;(4) t=180o時，功率開關(guān)晶體管3，4導(dǎo)通，電流經(jīng)正極，晶體管3，V，U，4流向電源負極;(5 ) t=240o時，功率開關(guān)晶體管2，4導(dǎo)通，電流經(jīng)正極，晶體管2，W，U，4流向電源負極;(6) t=300o時，功率開關(guān)晶體管2，6導(dǎo)通，電流經(jīng)正極，晶體管2，W，V，6流向電源負極;(7) t=360o時，重復(fù)t=0o狀態(tài)。三相星型橋式連接電路位置傳感器是組成無刷直流電動機系統(tǒng)的三大部分之一。轉(zhuǎn)子位置傳感器在直流無刷電動機中主要有兩個作用，一是檢測永磁體與定子電樞的相對位置，以便確定電子換向驅(qū)

6、動電路中功率晶體管的導(dǎo)通順序;二是確定電子換向電路中功率晶體管的導(dǎo)通角，確定電樞磁場的磁狀態(tài)。常見的位置傳感器有電磁式、磁敏式、光電式、磁阻元件等類型。這里可以選用磁敏式位置傳感器，它由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成?；魻柤呻娐肪哂袩o觸點、低功耗、長使用壽命等特點，采用塑封材料包封成一體化，能在各類惡劣環(huán)境下可靠地工作。對于二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)電機，需要3個霍爾傳感器。為使電機結(jié)構(gòu)緊湊，用電機本體的端部磁場作為霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子，利用電機的定子鐵心作為霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的定子鐵心。功率開關(guān)器件的導(dǎo)通角為120o。電子換向器由控制器來控制，同時控制器還可以控制電機的啟動與停止，正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速的調(diào)

7、節(jié)，過壓過流欠壓等保護。下面是控制器的一種實現(xiàn)方式：其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成的驅(qū)動電路按照一定的時序為BLDC通電，根據(jù)電機電壓和電流的不同可以選擇不同的驅(qū)動電路，如MOSFET、IGBT或者直接使用雙極性三極管。驅(qū)動示意圖假設(shè)驅(qū)動電壓和電機運行時的電壓相等（包括驅(qū)動電路本身的損耗），當PWMx按照給定的時序開和關(guān)時無刷電機將會以額定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。為了調(diào)速，我們使用遠高于電機運轉(zhuǎn)頻率的PWM波驅(qū)動電機，通常我們需要至少10倍于電機最高頻率的PWM驅(qū)動波形。當PWM驅(qū)動波形的占空比變化時，使得其在定子上的有效電壓變化，這就實現(xiàn)了無刷電機的調(diào)速，另外，當驅(qū)動電源電壓高于電機

8、本身的額定電壓時，我們可以調(diào)節(jié)PWM的占空比來使得驅(qū)動電源電壓適合電機的額定驅(qū)動電壓?？上攵覀兛梢允褂猛粋€控制器去掛接不同額定電壓的電機，此時只需要用控制器改變一下PWM的占空比就行了。另 外還有一種控制方式：當微控制器的PWM輸出不夠用時，可以在整個通電時序內(nèi)將上臂一直導(dǎo)通（即上臂不使用PWM）而下臂使用PWM驅(qū)動。5. 基本公式和特性直流無刷電機的基本物理量有電樞繞組的感應(yīng)電動勢、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等，這些與氣隙磁場分布、電樞電流波形、繞組形式有密切的關(guān)系，稀土永磁無刷直流電機可做成均勻氣隙，使空載氣隙磁場波形獲得近似的梯形波，其平頂寬度應(yīng)大于120o電角度，以獲得較大的電磁

9、轉(zhuǎn)矩。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的永磁無刷電流電機基本公式如下: (5.1)式中，B為導(dǎo)體所在電樞表面位置的氣隙磁通密度; 為導(dǎo)體有效長度;V為導(dǎo)體相對于磁場運動的線速度。 (5.2) 式中，p為極對數(shù);為極距;n為電機轉(zhuǎn)速(r/min)。每相繞組的感應(yīng)電動勢為: (5.3) 式中，為電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)。將式（5.1）、（5.2）帶入式（5.3）得 (5.4)氣隙磁場對應(yīng)每極磁通為 (5.5)式中，為極弧系數(shù)每項繞組感應(yīng)電動勢為： (5.6)用上式計算電勢時，是把氣隙磁場視作矩形波，而實際上氣隙磁場為梯形波，因此應(yīng)該再乘以一個波形修正系數(shù)。電壓平衡方程為： (5.7)式中，U為電源電壓; 為開關(guān)

10、晶體管壓降; r為每相繞組電阻。繞組相電流: (5.8)平均電磁轉(zhuǎn)矩 (5.9) 根據(jù)式（5.6）（5.7）可得理想空載轉(zhuǎn)速 (5.10) 6. 案例介紹假設(shè)電機主要指標如下(1)額定功率：PN=500(w)(2)額定電壓：UN=48(V)(3)額定轉(zhuǎn)速：nN=400(r/min)(4)相數(shù)：3相(5)連接方式：星型假設(shè)要求水下推進器外徑在20cm左右。因此取機殼外徑(cm)預(yù)取電機效率對于連續(xù)工作狀態(tài)的小功率電機，其計算容量根據(jù)公式有式中，為電樞直徑（cm）; 為電樞鐵心計算長度（cm）; 為電動機的額定轉(zhuǎn)速(r/min) =400 (r/min ) ; 為計算極弧系數(shù)，0.7; 為磁場波形

11、系數(shù)， 1.11; 為繞組系數(shù)，0.98; A為線負荷，一般取50150 (A/cm)，特殊情況下可以取200 300 ( A/cm )設(shè)計的電機在水下工作，散熱條件良好，故此處取A 150 (A/cm) ;為氣隙磁通密度(T)，由于采用釹鐵硼永磁體，此處取0.85 (T)。取= 17.8(cm)時，電樞鐵心計算長度為(cm)取=3.0 (cm)定子方面的參數(shù)定子沖片材料：DW315-50硅鋼片磁極數(shù)：2P(這里P=10)齒數(shù)：Z (這里齒數(shù)選的是Z=60)定子鐵心外徑：Daj=20（cm）定子鐵心內(nèi)徑:=17.8 (cm)定子鐵心長度：=3. 0（cm）槽外圓直徑:DZ1=19.0 (cm)

12、槽內(nèi)圓直徑：DZ2=18.0 (cm)齒高：極距 (cm)齒距齒寬式中，0.85 (T)；1.80 (T); 0.95 (T)取齒寬=0.47（cm）齒高：槽開口：b0=0.15 (cm)電樞鐵心軛部高度：式中， =1.70（T）取電樞軛部高度=0.50（cm）工作氣隙取=0.08（cm）電樞鐵心軛部沿磁路方向一對磁極的平均長度:槽下底寬：槽上底寬：槽截面積：轉(zhuǎn)子方面的參數(shù)轉(zhuǎn)子磁軛部鐵心沖片材料: DW315-50硅鋼片轉(zhuǎn)子磁軛鐵心沖片的外徑:DRj=16.84 (cm)轉(zhuǎn)子磁軛鐵心沖片的內(nèi)徑:DRd=15.6 (cm)轉(zhuǎn)子磁軛沖片鐵心的長度: =3.0 (cm)轉(zhuǎn)子磁軛沖片的高度:hRj=0.62 (cm)轉(zhuǎn)子磁軛鐵心沿磁場方向一對磁極的平均長度: 轉(zhuǎn)子外徑(永磁體外徑):DR=17.64 (cm)轉(zhuǎn)子長度(永磁體軸向長度): =3.0 (cm)轉(zhuǎn)子永磁體極弧寬度:bM=2.4 (cm) 轉(zhuǎn)子永磁體極弦寬度:bm=2.392 (cm)轉(zhuǎn)子永磁體的中性截面積: 轉(zhuǎn)子永磁體沿磁場方向的厚度:hm=0.4 (cm)轉(zhuǎn)子永磁體沿磁場方向一