直流無刷電機(jī)本體設(shè)計(jì)

1、電機(jī)與拖動基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師：信息與電氣工程學(xué)院 二零一六年七月直流無刷電機(jī)本體設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)任務(wù)(1) 額定功率 PN 80W(2) 額定電壓 UN 310V(3) 電動機(jī)運(yùn)行時(shí)額定轉(zhuǎn)速 nN 1000r / min(4) 發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)空載轉(zhuǎn)速 nmax6000r / min(5) 最大允許過載倍數(shù) 2.5(6) 耐沖擊能力 am21500 m / s(7) 機(jī)殼外徑 D 42mm 設(shè)計(jì)內(nèi)容：1. 根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算電機(jī)基本尺寸，包括：定子鐵心外徑、定子 鐵心內(nèi)徑、鐵心長度等。2. 磁路計(jì)算，包括極對選擇、磁鋼選型、磁鋼厚度、氣隙長度等方面計(jì)算3. 定子繞組

2、計(jì)算，包括定子繞組形式、定子槽數(shù)、繞組節(jié)距等計(jì)算。2. 理論與計(jì)算過程2.1 直流無刷電機(jī)的基本組成環(huán)節(jié)直流無刷電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖 2-1-1 所示。它主要由電機(jī)本體、位置傳感 器和電子開關(guān)線路三部分組成。 電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機(jī)相似， 但沒 有籠型繞組和其他起動裝置。 其定子繞組一般制成多相 (三相、四相、五相不等)， 轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù) (2p=2,4, )組成。圖中的電機(jī)本體為三相電機(jī)。 三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件連接， 位置傳感器的跟 蹤轉(zhuǎn)子與電動機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)， 該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相 互作用而產(chǎn)生

3、轉(zhuǎn)矩， 驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信 號，去控制電子開關(guān)線路， 從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎ?定子相電流隨 轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。 由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。因此，所謂直流無刷電機(jī)， 就其基本結(jié)構(gòu)而言， 可以認(rèn)為是一臺由電子開關(guān) 線路、永磁式同步電機(jī)以及位置傳感器三者組成的 “電動機(jī)系統(tǒng) ”。其原理框圖如 圖 2-1-2 所示。圖 2-1-2 直流無刷電機(jī)的原理框圖 電機(jī)轉(zhuǎn)子的永久磁鋼與永磁有刷電機(jī)中所使用的永久磁鋼的作用相似， 均是 在電機(jī)的氣隙中建立足夠的磁場， 其不同之處在于直流無刷電機(jī)中永

4、久磁鋼裝在 轉(zhuǎn)子上，而直流有刷電機(jī)的磁鋼裝在定子上，圖 2-1-3 示出了典型直流無刷電機(jī) 本體基本結(jié)構(gòu)圖。圖 2-1-3 直流無刷電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖 直流無刷電機(jī)電子開關(guān)線路是用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電的順序 和時(shí)間，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個(gè)部分組成。 功 率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心， 其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配 給直流無刷電機(jī)定子上各相繞組， 以便使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 而各相繞組 導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置傳感器的信號。 但位置傳感器所產(chǎn)生的信 號一般不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元， 往往需要經(jīng)過一定邏輯處理后才能 去控制邏輯開關(guān)

5、單元，綜上所述，組成直流無刷電機(jī)各主要部件的框圖，如圖 2-1-4 所示。圖 2-1-4 直流無刷電機(jī)的組成框圖2.2 直流無刷電機(jī)的基本工作原理 眾所周知，一般的永磁式直流電機(jī)的定子由永久磁鋼組成， 其主要的作用是 在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場。 其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。 由于電刷的換向作用， 使得這兩個(gè)磁場的方向在直流電機(jī)運(yùn)行的過程中始終保持相互垂直， 從而產(chǎn)生最 大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。 直流無刷電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換相， 首先要求 把一般直流電機(jī)的電樞繞組放在定子上， 把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上， 這與傳統(tǒng)直流 永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。 但僅這樣做還是不行的， 因?yàn)橛靡话阒绷麟娫唇o定子 上

6、各繞組供電， 只能產(chǎn)生固定磁場， 它不能與運(yùn)動中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場 相互作用， 以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 所以，直流無刷電動機(jī)除了 由定子和轉(zhuǎn)子組成電機(jī)本體以外， 還要由位置傳感器、 控制電路以及功率邏輯開 關(guān)共同構(gòu)成的換相裝置， 使得直流無刷電機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的的磁 場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在（/2） rad 左右的電角度。下面以圖 2-1-1 所示電路對直流無刷電機(jī)工作過程作簡要說明。 設(shè)三相橋式逆變器采用 “120°導(dǎo)通型”通斷規(guī)律。即：每隔 1/ 6周期（ 60° 電角度）換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每一功率

7、管導(dǎo)通120°電角度。各功率管的導(dǎo)通順序是 V1V2 、V2V3 、V3V4 、V4V5 、V5V6 、V6V1 、。當(dāng)功率管 V1和V2 導(dǎo)通時(shí)，電流從 V1 管流入 A 相繞組，再從 C相繞組流出，經(jīng)V2 管回 到電源。如果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正， 那么從繞組流出所產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)矩則為負(fù)，它們合成的轉(zhuǎn)矩如圖 2-2-1（a）所示，其大小為 3 Ta，方向在 Ta 和Tc 的角平分線上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過 60°后，由 V1V2 通電換成 V2V3 通電。這時(shí)，電流從 V3 流入 B 相繞組再從 C 相繞組流出，經(jīng) V2 回到電源，此時(shí)合成的 轉(zhuǎn)矩如圖 2-2-1（b）所

8、示，其大小同樣為 3 Ta。但合成轉(zhuǎn)矩 Tbc 的方向轉(zhuǎn)過了60°電角度，而后每次換相一個(gè)功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60°電角度，但大小始終保持 3 Ta不變。圖 2-2-1（c）示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。（a）V1 、V2 導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩；（ b）V2、V3 導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩；（c）兩兩通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩矢量圖 所以，同樣一臺直流無刷電機(jī)， 每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時(shí)，采用三相星形 （Y ）聯(lián)結(jié)全控電路， 在兩兩換相的情況下， 其合成轉(zhuǎn)矩增加了 3 倍。每隔 60°電角度換向一次，每個(gè)功率管通電 120°，每個(gè)繞組通電 240°

9、， 其中正相通電和反相通電各 120°，其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖 2-2-2 所示。由圖 2-2-2 可以看出，三相全控時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動比三相半控時(shí)小得多。圖 2-2-2 全控橋輸出波形圖 如將三只霍爾傳感器按相位差 120°安裝，則它們所產(chǎn)生的波形如圖 2-2-3 所示。圖 2-2-3 各相繞組的導(dǎo)通示意圖2.3 直流無刷電機(jī)設(shè)計(jì)的基本步驟（1）根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算電機(jī)基本尺寸，包括：定子鐵心外徑、定 子鐵心內(nèi)徑、鐵心長度等。（2）磁路計(jì)算，包括極對選擇、磁鋼選型、磁鋼厚度、氣隙長度等方面計(jì) 算。（3）定子繞組計(jì)算，包括定子繞組形式、定子槽數(shù)、繞組節(jié)距等計(jì)算。 在設(shè)計(jì)時(shí)既要保證

10、電動機(jī)運(yùn)行可靠、 性能優(yōu)良、 效率高和壽命長， 又要體積 小、重量輕、材料省、加工方便，很多因素是相互矛盾和相互制約的。對設(shè)計(jì)的 要求是 全面考慮，統(tǒng)籌兼顧，全面落實(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。2.4 主要尺寸的選擇（1）定子鐵心內(nèi)徑的選擇直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子外徑 Da（由于直流無刷電機(jī)氣隙一般很小，為簡化問 題，就認(rèn)為轉(zhuǎn)子外徑等于定子內(nèi)徑） 一般隨單位轉(zhuǎn)速的輸出功率 P 值增加而增大， 當(dāng)電機(jī)的單位轉(zhuǎn)速輸出功率 P 相同時(shí)，其 Da 大致一樣。決定 Da 時(shí)，可根據(jù)給 定的 P 值并結(jié)合工廠的生產(chǎn)條件，參考已制成的類似電機(jī)的 Da 值而選定。我國 目前制造的直流電機(jī)，其 Da與輸出功率 P的關(guān)系曲線如圖 2

11、-4-1 所示，它可以 作為選定 Da 的初步依據(jù)。(1)PNnN801000圖 2-4-1 定子內(nèi)徑 Da 與單位轉(zhuǎn)速輸出功率 PN/nN 的關(guān)系 根據(jù)已知條件計(jì)算得410.8 10 4kW g(r/ min) 1從圖 2-4-1 的曲線對比，取 Da=3.4cm=34mm。（2）電磁負(fù)荷的選擇(2)Da2La6.B1A104gkD gPnNBA n式中 Da 定子鐵心內(nèi)徑（ cm）；La 定子鐵心長度（ cm）； kD考慮電機(jī)內(nèi)部壓降等因素影響的小于 1 的系數(shù)； PN 額定功率（ W）；B磁負(fù)荷 （T）；A 電負(fù)荷（ A/cm）；極弧系數(shù)； 電機(jī)效率；n 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（ r/min）。由

12、式（2）可知，電負(fù)荷 A 與磁負(fù)荷 B 的選擇與電動機(jī)的主要尺寸直接相關(guān)。 同時(shí)， A、B 的數(shù)值與電動機(jī)的運(yùn)行性能和使用壽命也有密切關(guān)系，因此必須全 面考慮各方面因素，才能正確選擇 A、B 的數(shù)值。一般來說，選用較高的磁負(fù)荷 B可以節(jié)約有效材料、 縮小電機(jī)體積。但是 B 過高會產(chǎn)生以下一些不利影響：1）將增加轉(zhuǎn)子和定子鐵心飽和程度，特別是定子齒中的飽和更為強(qiáng)烈，于 是空氣隙及電動機(jī)定子磁路所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度增高， 勢必要求高性能的磁鋼和導(dǎo) 磁材料，其價(jià)格隨之上升。2）因?yàn)閱挝惑w積的鐵耗近似地與鐵內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比，所以B 的增大將使電機(jī)的鐵耗增加，導(dǎo)致電機(jī)的效率降低，同時(shí)也使電機(jī)的溫升增

13、高。同樣，選用較高的電負(fù)荷 A 也可以節(jié)約有效材料、縮小電機(jī)體積。但是 A 過高會產(chǎn)生以下一些不利影響：1）定子繞組的去磁作用的影響比較顯著，導(dǎo)致工作特性變差。 2）在定子繞組電流密度不變的條件下，這將增加定子槽內(nèi)導(dǎo)線，從而增加 了定子繞組的用銅量、銅耗和溫升。電機(jī)的電負(fù)荷 A 和磁負(fù)荷 B 與定子內(nèi)徑 Da 有關(guān)，根據(jù)已生產(chǎn)電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù) 據(jù)可以繪制成曲線，作為設(shè)計(jì)時(shí)參考。圖 2-4-2和圖 2-4-3分別表示 B級絕緣直 流電機(jī)的 A、B 的經(jīng)驗(yàn)值和 Da的關(guān)系。由 Da=3.4cm，根據(jù)圖 2-4-2 和圖 2-4-3 預(yù)取 A=130A/cm ，B=0.6T。圖 2-4-2 電負(fù)荷 A

14、與定子內(nèi)徑 Da 的關(guān)系圖 2-4-3 磁負(fù)荷 B 與定子內(nèi)徑 Da 的關(guān)系（3）定子鐵心長度 L 的確定從式（ 2），可以得到轉(zhuǎn)子磁鋼計(jì)算長度 La 的表達(dá)式為(3)La6.1 104BADa2gkD gPnNn圖 2-4-4 計(jì)算極弧系數(shù) 與轉(zhuǎn)子外徑 Da 的關(guān)系由 Da=3.4cm，根據(jù)圖 2-4-4，參考以往經(jīng)驗(yàn)值，預(yù)取 =0.9。 預(yù)取系數(shù) kD 0.8 ，效率0.7 ，根據(jù)式( 3)計(jì)算得 La=6.8cm所以，鐵心長度 L=La=6.8cm 。(4) 轉(zhuǎn)子長度與直徑的比值從式(2)可以看出，在同樣給定條件和選定的 A、B和 數(shù)值下， DaLa是 一定的。因此，如果把 Da選得大一

15、些， La必定小一些，電機(jī)就比較粗短； 反之， 如果把 Da 選得小一些， La 必定大一些，電機(jī)就比較細(xì)長。電機(jī)的這個(gè)幾個(gè)形 狀關(guān)系可用電動機(jī)計(jì)算長度與定子內(nèi)徑的比值來表示：(4)DaLa由 Da=3.4cm， La=6.8cm，代入式( 4)計(jì)算得(5) 定子鐵心外徑的選擇表 1 直流電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)定子外徑 (mm)78.310.210.61213.816.219.521.024.529.432.736.842.349.356.065.085.099.0120150180215285315350380由定子鐵心內(nèi)徑 Da=3.4cm=34mm，技術(shù)要求機(jī)殼外徑 D 42mm ，根據(jù)表 1 可以

16、選擇定子鐵心外徑 D1=36.8mm=3.68cm。2.5 磁路計(jì)算(1) 極數(shù)的選擇我們已知 2p BLaDa ，在轉(zhuǎn)子外徑、長度和氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度確定后， 沿定子圓周的總磁通 為一定值。增加極對數(shù) p，可減少每級磁通，定子軛及機(jī) 座的截面積可相應(yīng)減少， 從而減少電機(jī)的用鐵量； 定子繞組的端接部分將隨極數(shù) 增加(即極距減小)而縮短，在同樣的電流密度下，繞組用銅量也將減少；磁極 增多后，定子繞組電感相應(yīng)減少，這將有利于電子器件換相?？偟膩碚f，增加極 數(shù)可以節(jié)約原材料和縮小電機(jī)外形。12 50mm同時(shí)，當(dāng)增加極數(shù)后制造工時(shí)也相應(yīng)地增加了； 隨著極對數(shù)的增加， 考慮到 極漏磁不能太大，極弧系數(shù) 要減

17、小，從而使電機(jī)原材料的利用率變差；增加 極對數(shù)后，在同樣轉(zhuǎn)速下， 電子器件的換相次數(shù)增加， 從而增加了電子器件的換 相損耗。 在同樣轉(zhuǎn)速下， 定子繞組的交變頻率將隨極數(shù)的增加而增加， 因而齒的 鐵損耗隨極數(shù)的增加而增大， 而定子軛的鐵損耗則增加很少， 因?yàn)殍F軛的重量反 比于極數(shù)而下降； 當(dāng)電流密度不變時(shí)， 定子繞組中銅耗隨極數(shù)的增加而降低。 一 般說，電機(jī)效率隨極數(shù)的增加而有所下降。目前，直流無刷電機(jī)的容量比較小，極距若取極對數(shù) p=2，則25.9mm (5)Da 3.14 332p 2 2所以極對數(shù) p=2，極數(shù)為 4，滿足設(shè)計(jì)要求(2) 磁鋼的選擇1) 磁鋼材料的選擇因此在設(shè)計(jì)永磁電機(jī)時(shí)首

18、先要選永磁材料的種類多種多樣， 性能相差很大， 擇好適宜的永磁材料品種和具體的性能指標(biāo)。歸納起來，選擇的原則為： 應(yīng)能保證電機(jī)氣隙中有足夠大的氣隙磁場和規(guī)定的電機(jī)性能指標(biāo)。 在規(guī)定的環(huán)境條件、工作溫度和使用條件下應(yīng)能保證磁性能的穩(wěn)定性。 有良好的機(jī)械性能，以方便加工和裝配。 經(jīng)濟(jì)性要好，價(jià)格適宜。 目前在直流無刷電機(jī)中常用的永磁材料有鋁鎳鈷合金、鐵氧體和釹鐵硼等。 在滿足性能指標(biāo)的前提下， 考慮到其經(jīng)濟(jì)性， 百瓦級的小型直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn) 子磁鋼選用鐵氧體。2) 磁鋼結(jié)構(gòu)的選擇小型直流無刷電機(jī)按工作主磁場方向不同， 主要有徑向磁場型式和切向磁場 型式兩種，如圖 2-5-1 所示圖 2-5-1 轉(zhuǎn)子

19、磁路結(jié)構(gòu)1）徑向磁場型式 采用徑向磁場結(jié)構(gòu)的小型直流無刷電機(jī)的運(yùn)行速度一般比較低， 可直接將勵(lì) 磁磁鋼粘結(jié)在轉(zhuǎn)子磁轆上。 為了減輕轉(zhuǎn)子的整體重量， 可以在轉(zhuǎn)子磁扼上開減輕 孔，如圖 2-5-1a 所示。從圖 2-5-1a 的主磁路可以看出，徑向磁場型式是一對極 的兩塊磁鋼串聯(lián)。 僅有一個(gè)磁鋼截面積對每一個(gè)氣隙提供磁通， 而由兩個(gè)磁鋼長 度對發(fā)電機(jī)提供磁勢。2）切向磁場型式如圖 2- 5-1b 所示，這類結(jié)構(gòu)是把磁鋼鑲嵌在轉(zhuǎn)子磁極中間，磁鋼與磁極固 定在隔磁襯套上。磁極由導(dǎo)磁性能良好的鐵磁材料 （如軟鐵等 ）制成，襯套由非磁 性材料制成 （如鋁、工程塑料等 ），用以隔斷磁極、磁鋼與轉(zhuǎn)子的磁通路，

20、減小漏 磁。從圖 2-5-1b 可以看出，它的結(jié)構(gòu)是一對磁極的兩塊磁極并聯(lián)，由兩塊磁鋼 向每個(gè)氣隙提供磁通，這樣電機(jī)的氣隙磁密 B 高，制造出的電機(jī)體積小。切向 磁場型式的轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 除機(jī)械加工量比較大外， 它的拼裝必須用專 用設(shè)備，尤其將磁鋼鑲嵌到磁極中間要有專用工具。 轉(zhuǎn)子拼裝好后， 在轉(zhuǎn)子端部 將磁鋼固緊，以免造成轉(zhuǎn)子 （對定子 ）的掃膛現(xiàn)象，甚至卡死，電機(jī)燒壞現(xiàn)象。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的直流無刷電機(jī)適合選用磁鋼徑向磁場結(jié)構(gòu)。 所以，本設(shè)計(jì)磁鋼選擇鐵氧體材料、磁鋼徑向沖磁結(jié)構(gòu)，磁鋼厚度取Hm=0.2cm，氣隙長度取為 =0.7mm 。（3）簡單磁路的計(jì)算直流無刷電機(jī)的磁路，一

21、般由永久磁鋼、導(dǎo)磁體和氣隙三部分組成。其中導(dǎo) 磁體磁阻很小，可以忽略不計(jì)。這樣，磁路僅由磁鋼和氣隙兩部分組成，它近似 于具有空氣隙的一個(gè)圓環(huán)形永久磁鋼的簡單磁路，如圖 2-5-2 所示。圖 2-5-2 具有固定氣隙的環(huán)形永久磁鋼 假設(shè)環(huán)形永久磁鋼之間的漏磁通為零， 即忽略環(huán)形磁鋼本身的漏磁通， 并設(shè) 環(huán)形磁鋼的截面積處處相等，均為 SM，平均長度為 LM 。因此可認(rèn)為磁鋼內(nèi)部 的磁感應(yīng)強(qiáng)度在任一截面處都是均勻分布的， 而沿全長 LM 磁鋼內(nèi)部的磁場強(qiáng)度 分布也是均等的。當(dāng)磁路中的氣隙長度為 時(shí)，按磁路的基爾霍夫第二定律，可得(6)式中 LM環(huán)形永久磁鋼的平均長度（ m）；HM LMH 0氣隙長

22、度（ m）；HM 環(huán)形永久磁鋼內(nèi)部的磁場強(qiáng)度（ A/m）；H 氣隙中的磁場強(qiáng)度（ A/m ）。 根據(jù)上述分析預(yù)取和計(jì)算的已知條件， 參考有關(guān)資料所給的經(jīng)驗(yàn)值和計(jì)算公 式，對磁路中相關(guān)參數(shù)計(jì)算如下：1)漏磁系數(shù) 1.2 ；2）氣隙磁通 BSB L15.85 B；Bt3）空載電樞齒磁密Btbt KFe ；（ bt齒寬， K Fe電樞沖片疊片系數(shù)， t齒距）4）Bj1空載電樞軛磁密2hj1KFeL；（ hj1 電樞軛高）5）Bj2空載轉(zhuǎn)子軛磁密2bj2Lbj2 轉(zhuǎn)子磁軛等效寬度）6）氣隙磁勢 F 1.6 KB 106K 氣隙系數(shù)）7）定子齒磁勢 Ft2Htht ；（ht 槽高）8）定子軛部磁勢Fj1

23、Hj1Lj1；（ L j1電樞鐵心軛部沿磁路計(jì)算長度）；（9）轉(zhuǎn)子軛部磁勢Fj2Hj2Lj2；（ Lj 2轉(zhuǎn)子軛部沿磁路方向長度）；（10）總磁勢FFtFj1 Fj 2；11）總磁通 m41.2 15.85B 10 4Wb2.6 定子繞組計(jì)算（1）定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)直流無刷電機(jī)時(shí)，在保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度及磁通密度允許的情況下，應(yīng) 盡量減少齒寬和軛厚，以擴(kuò)大槽面積，增大定子繞組導(dǎo)線面積，降低銅耗，提高 發(fā)電機(jī)的效率。同時(shí)，為了使電機(jī)能夠快速起動，需要采用合適的極槽配合，使得Q Zs/2p A C/ D （7） 式中:Zs 為定子槽數(shù)； p 為發(fā)電機(jī)極對數(shù)； A 為整數(shù)， C/D 為不可約分的分 數(shù)

24、。理論和實(shí)踐證明， D 越大，電機(jī)的起動阻轉(zhuǎn)矩越小。對于一極數(shù)一定的直流 無刷電機(jī)，它的起動阻轉(zhuǎn)矩隨著槽數(shù)的變化而變化，如圖 2-6-1 所示。為此，在 實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇合適的極槽配合，以使起動阻轉(zhuǎn)矩滿足要求。圖 2-6-1 阻轉(zhuǎn)矩和槽數(shù)的關(guān)系在上文的分析中， 我們選擇轉(zhuǎn)子為 2 對極磁鋼， 為了使得直流無刷電機(jī)的起 動阻力矩滿足要求，我們選擇 12 槽定子來滿足極槽配合的要求。（2）定子繞組形式 在直流無刷電動機(jī)內(nèi)，繞組可分為單層繞組和雙層繞組。每個(gè)槽內(nèi)放置一個(gè) 線圈邊時(shí)，稱為單層繞組；每個(gè)槽內(nèi)放置兩個(gè)線圈邊，且分為上、下層時(shí)，稱為 雙層繞組。雙層繞組一般都采用短距繞組，其節(jié)距 y在 0.

25、8左右，以使其 5次 和 7 次諧波的影響同時(shí)削減到比較小， 這樣既改善了電動機(jī)的電磁性能， 又可節(jié) 省材料（因?yàn)槔@組的端部接線縮短了）。單層繞組，每相每極僅一個(gè)線圈， 而雙層繞組， 每相每極僅兩個(gè)線圈時(shí)稱為 集中繞組。 單層繞組每相每極有兩個(gè)或更多個(gè)線圈、 雙層繞組每相每極有兩個(gè)以 上線圈時(shí)，稱為分布繞組。電動機(jī)的定子（或轉(zhuǎn)子），其圓周等于 360°，這種用機(jī)械關(guān)系計(jì)量的空間 角度叫做機(jī)械角。但是在電工技術(shù)中，經(jīng)常用到電角度（簡稱電角）的概念。每 對磁極占定子圓周的空間的機(jī)械角為 360°/（極對數(shù)），但其電角度為 360°。 且每經(jīng)過一對磁極，就相應(yīng)轉(zhuǎn)過 36

26、0°電角度。顯然電角度是與磁極數(shù)有關(guān)，它 與機(jī)械角度的關(guān)系（圖 2-5-1）為電角度 =極對數(shù)×機(jī)械角度圖 2-6-2 電動機(jī)機(jī)械角與電角的關(guān)系a）4 極電機(jī)磁場示意圖 b）轉(zhuǎn)子導(dǎo)體 1 的感應(yīng)電動勢波形 歸納起來，直流無刷電動機(jī)對繞組有下列基本要求： 1）繞組導(dǎo)體沿定子圓周排列，通電后產(chǎn)生的磁場，應(yīng)形成與轉(zhuǎn)子磁場相同 的極對數(shù)，這是最基本的要求。否則，它將無法運(yùn)行；2）節(jié)約用銅。在用銅量一定時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢或電動勢最大；3）繞組的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡力使工藝簡單，制作維修方便；4）絕緣可靠，散熱條件好。根據(jù)以上分析， 本設(shè)計(jì)中直流無刷電機(jī)定子繞組采用雙層繞組形式。 對雙層 繞組而言

27、，電動機(jī)定子有多少個(gè)槽，就會有多少個(gè)線圈，即線圈數(shù)等于槽數(shù)。雙層繞組特點(diǎn)之一是一般都用短距繞組。 一般說來，節(jié)距縮短一或兩個(gè)槽時(shí)， 對于各個(gè)線圈的安放， 不會發(fā)生什么妨礙。 而短距繞組的明顯好處是縮短了端接 線，節(jié)省了銅線，而所產(chǎn)生的基波感應(yīng)電勢削弱得并不多。相反，采用短距繞組 以后，對感應(yīng)電勢的諧波可以削弱很多， 這對改善感應(yīng)電勢的波形是有利的。 為 了定量分析上述優(yōu)點(diǎn)， 下面通過計(jì)算短距繞組的基波感應(yīng)電勢和諧波感應(yīng)電勢來 加以說明。圖 2-6-3 短距繞組圖 2-6-3 畫出了一個(gè)短距繞組，它由導(dǎo)體和導(dǎo)體組成，線圈的節(jié)距 y1 小于極距，其節(jié)距比為。采用短距繞組后， 該繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢

28、比全距繞組的應(yīng)有所減少， 那么 如何來精確地計(jì)算其數(shù)值呢？為此， 先看其中一匝所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢。 在分析感 應(yīng)電勢之前， 首先規(guī)定好導(dǎo)體與繞組感應(yīng)電勢的正方向。 導(dǎo)體感應(yīng)電勢以順時(shí)針 方向作為感應(yīng)電勢的正方向， 并規(guī)定繞組的中心線處在磁極之間時(shí)作為時(shí)間的起 點(diǎn)。導(dǎo)體的基波感應(yīng)電勢E1 Em sin t ()Em sin( t)22(8)導(dǎo)體的基波感應(yīng)電勢E2 Em sin t ()Em sin( t)22(9)繞組的基波感應(yīng)電勢E12 E1 E2 Emsin(t2) sin( t2 )Em sincos tm2(10)繞組為整距時(shí)，繞組基波感應(yīng)電勢應(yīng)為 E12 2 Em cos( t) ，所以

29、短距繞組的 基波感應(yīng)電勢E12 E12 sin 2 E12 kp12 (11)式中 kpl基波短距因數(shù)， kp1 sin( / 2)。短距因數(shù)也是一個(gè)小于 1 的數(shù)。這是由于當(dāng)繞組采用短距后， 線圈里的兩根 導(dǎo)體所產(chǎn)生的基波感應(yīng)電勢的相角不是相差 180°。所以，線圈的基波感應(yīng)電勢 不是導(dǎo)體基波感應(yīng)電勢的兩倍， 而是相當(dāng)于整距繞組的基波感應(yīng)電勢乘上小于 1 的因數(shù)。所以，采用短距繞組后，一方面可使端接部分縮短，節(jié)省了銅，另一方面還 能改善感應(yīng)電勢的波形，這是雙層短距繞組的顯著優(yōu)點(diǎn)。雙層繞組一般存在兩種繞組型式，即疊繞組和波繞組。圖 2-6-4 表示了兩種 繞組的繞組型式，其中，圖 a為疊繞，圖 b 為波繞。疊繞組的聯(lián)接特點(diǎn)是，把一 個(gè)極下同一相的幾個(gè)線圈依次串聯(lián)起來成為一個(gè)極相組。 由于串聯(lián)元件是后一個(gè) 疊在前一個(gè)上面，故叫做疊繞組。圖 2-6-4 雙層繞組的兩種繞組型式a)疊繞 b)