1、毕业设计题目120W汽车用无刷直流永磁电机设计学院湖南工程学院专业电气工程及其自动化班级学号学生姓名导师姓名教授完成日期20年月诚信声明本人声明1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名日期年月日湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目120W汽车用无刷直流永磁电机设计姓名系别湖南工程学院专业电气工程及其自动化班级学
2、号指导老师职称教授教研室主任教授一、基本任务及要求1、基本技术要求1）输入电压U12V2）输出功率P120W3）额定转速NN3000R/MIN4）效率705）相数M26极对数P22、本毕业设计课题主要完成以下设计内容（1）120W无刷直流电动机的电磁设计方案；（2）无刷直流电动机的驱动系统的设计；（3）主要零部件图的CAD绘制；（4）设计说明书概述（含原理分析）；设计专题探讨；创新之处；结论。二、进度安排及完成时间2月28日3月10日查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告3月11日3月25日毕业实习、撰写实习报告3月26日5月31日毕业设计4月中旬毕业设计中期抽查6月1日6月6日撰写毕业设计说明
3、书（论文）6月7日6月10日修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP。6月10日6月12日毕业设计答辩目录摘要IABSTRACTII第一章无刷直流永磁电机介绍与发展前景111无刷直流永磁电机介绍112无刷直流永磁电动机的研究前景1第二章无刷直流电动机的基本结构和类型321无刷直流永磁电动机的基本组成结构322无刷直流电动机主体423转子位置传感器524电子换向（相）线路7第三章无刷直流电动机的原理与驱动设计831无刷直流电机的基本原理832驱动电路工作原理9321霍尔位置传感器的分类9322霍尔元件位置传感器的工作原理933换流线路基本设计1134刷直流永磁电动机的运行特性13
4、341无刷直流永磁电动机的机械特性13342无刷直流永磁电动机的工作特性13343无刷直流永磁电动机的调节特性1435无刷直流永磁电动机的控制15351正反转控制15352调速控制15第四章晶体管饱和管压降的确定1741达林顿复合管1742GTR（电力双极型晶体管）1743IGBT1844MOS功率模块19第五章无刷直流永磁电动机电磁系统设计2051定子铁心内径DA的选择2052电磁负荷的选择2053转子磁钢计算长度LA的确定2154转子长度与直径的比值2255磁路系统的设计22551磁路结构与等效磁路图2256磁钢的最佳工作点和稳定方法24561磁钢的最佳工作点的选择24562磁钢的温度稳定
5、性2657磁钢的长度与高度28第六章电磁设计方案3061主要技术指标3062主要尺寸确定3063磁路计算3164电路计算3465主要技术指标3766损耗和效率（额定工作时）38总结42参考文献43致谢44附录A45附录B46湖南工程学院毕业设计论文I120W汽车用无刷直流永磁电机设计摘要随着汽车工业的飞速发展，无刷直流永磁电机逐步成为研究重点，成为电机行业的一颗新星。它既具备交流电机简单的结构、可靠的运行方式、便于维护等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点,广泛应用于工业，航空，军事，医疗器械等众多领域，成为关注的焦点。本篇论文对无刷直流电动机做详细的分
6、析和自我设计。无刷直流电动机是具有高效率、低磨损、低噪声的新型直流电机机种。本设计在介绍无刷直流电动机设计中，关于永磁体的工作点及其大小的设定，电机驱动方式，绕组连接方式的选择方法和应遵从的规律，晶体管的压降分析，并且对小功率直流电动机结构特点和工作性能，在电枢反应理论基础上设计出功率为120W的无刷直流电动机，并对霍尔位置传感器和无刷电动机的控制及驱动做了详细的分析。文中着重论述无刷直流电动机及其工作原理、驱动系统、磁路的设计，并对其设计特点进行了分析，最后计算出120W无刷直流永磁电机的全套设计数值。关键词无刷直流电动机；驱动系统设计；电磁设计；电磁方案；应用前景湖南工程学院毕业设计论文I
7、IDESIGNOF120WBRUSHLESSDCMOTORFORAUTOMOBILEABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFAUTOMOBILEINDUSTRY,BRUSHLESSDCPERMANENTMAGNETMOTORANDGRADUALLYBECOMEARESEARCHFOCUS,TOBECOMEANEWSTARINTHEMOTORINDUSTRYITHASASIMPLESTRUCTUREACMOTORANDRELIABLEMODEOFOPERATION,EASEOFMAINTENANCEANDASERIESOFADVANTAGES,BUTALSOWITHHI
8、GHEFFICIENCYDCMOTOR,NOEXCITATIONLOSSANDSPEEDPERFORMANCE,ANDMANYOTHERCHARACTERISTICS,WIDELYUSEDININDUSTRIAL,AVIATION,MILITARY,MEDICALEQUIPMENTANDOTHERFIELDS,TOBECOMETHEFOCUSOFATTENTIONINTHISTHESIS,THEBRUSHLESSDCMOTORTODOADETAILEDANALYSISANDSELFDESIGNBRUSHLESSDCMOTORWITHHIGHEFFICIENCY,LOWWEAR,LOWNOISE
9、DCMOTORNEWMODELSTHISDESIGNDESCRIBESTHEDESIGNOFBRUSHLESSDCMOTOR,THEPERMANENTMAGNETONTHEOPERATINGPOINTANDTHESIZEOFTHESET,THEMOTORDRIVEMODE,THEWINDINGCONNECTIONMODESELECTIONMETHODSANDRULESTOBEFOLLOWED,THEPRESSUREDROPOFTHETRANSISTOR,ANDTHELOWPOWERDCMOTORSTRUCTURALFEATURESANDPERFORMANCE,BASEDONTHETHEORYO
10、FTHEARMATUREREACTIONDESIGNEDPOWER120WBRUSHLESSDCMOTOR,ANDHALLPOSITIONSENSORSANDBRUSHLESSMOTORCONTROLANDDRIVETODOADETAILEDANALYSISTHISPAPERFOCUSESONTHEBRUSHLESSDCMOTORANDHOWITWORKS,THEDRIVESYSTEM,THEMAGNETICCIRCUITDESIGN,ANDITSDESIGNFEATURESWEREANALYZED,ANDFINALLYCALCULATE120WBRUSHLESSDCPERMANENTMAGN
11、ETMOTORCOMPLETEDESIGNVALUESKEYWORDSBRUSHLESSDCMOTORDRIVESYSTEMDESIGNELECTROMAGNETICDESIGN；ELECTROMAGNETICPROGRAM；APPLICATIONPROSPECT120W汽车用无刷直流永磁电机设计1第一章无刷直流永磁电机介绍与发展前景11无刷直流永磁电机介绍无刷直流永磁电动机是近年来随电力电子技术迅猛发展而成熟起来的一种新的直流电动机，它是现代科学技术，现代工业设备和军事装备中重要的机电元件之翼，无刷直流电动机凭借法拉第电磁感应定律为基础，而且以新兴的模拟电子技术、数字技术和这种物理原理为后盾
12、，因此它具有很强的生命力。无刷直流电动机的学名叫“无换向器电机”或“无整流子电机”,是一种新型的无级变速电机,它由一台同步电机和一组逆变桥所组成。无刷直流电动机最重要的特点，就是没有整流子（换向器）和电刷组成的机械接触结构，用位置传感器和电子换向线路来代替有刷直流电动机的机械换向装置，从而为直流电动机的发展开辟了新的途径。无刷电动机的转子采用永磁体制成，将设有激磁损耗；发热的电枢绕组装在外面的定子上，这样的设计可以是热阻较小，散热容易，因此，无刷直流电动机无换向火星，没有电磁干扰，寿命长，运行可靠，维护简便，此外，他的金属材料不受机械换向的限制，如采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以再每分钟高达几十
13、万次转的速度中运行，由于无刷直流永磁电机具有上述一系列优点，因此，他的用途远比于有刷直流电动机更广泛。12无刷直流永磁电动机的研究前景研究和分析微小型电机的发展和前景，我们可以得到如下结论无刷直流电动机将会一直保持强劲的上升势头，性能将逐步超越其他类型电机，在高应用方面会逐步取代其他类型的电机，在工业电机系统中将占主导地位。由于无刷直流电动机保持着有刷直流电动机的优良控制特性,在电磁结构上和有刷直流电动机一样,但它的电枢绕组放在定子上,转子上放永磁磁钢。无刷直流电动机的电枢绕组和交流电机的绕组一样,采用多相形式,经由驱动器接到直流电源上,定子采用位置传感器实现电子换向代替有刷电机的电刷和换向器
14、,各相逐次通电产生电流,和转子磁极主磁场相互作用,产生转矩。无刷直流电动机由于转子上没有绕组,因此就没有电的损耗。又由于主磁场是恒定的,因此铁损也是极小的在方波电流驱动时,电枢磁势的轴线是脉动的,120W汽车用无刷直流永磁电机设计2会在转子铁心内产生一定的铁损。总体而言,除了旋转产生摩擦损耗外,转子的其他损耗很小,因而进一步增加了工作的可靠性。随着电子技术的进步,电子工业的发展,电子元器件的价格不断下降。考虑综合指标系统性能、重量、能量消耗等之后,无刷直流电机的应用正处于上升趋势。近几年,随着稀土永磁材料的研究深入和电力电子器件性能价格比的不断提高,无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺
15、服电机在工业中的应用越来越广泛。它可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快地发展，进一步提升我国工业水平和国民经济。120W汽车用无刷直流永磁电机设计3第二章无刷直流电动机的基本结构和类型21无刷直流永磁电动机的基本组成结构有刷直流电动机包含旋转的电枢和固定的磁场，所以可以肯定有刷直流电动机有滑动的机械接触机构电刷和换向器，旋转电枢的电流就是通过它们传递的。无刷直流电动机却恰恰相反，它自身带有旋转磁场和固定
16、的电枢。由此，电子换向线路中的功率元件，如可控硅或晶体管等可直接与电枢绕组连接。另外，在无刷电动机内，有一个位置传感器，用来检测主转子在运行过程中的位置。它与电子换向线路一起，代替了有刷直流电动机的机械换向装置。综上所述，无刷直流电动机由下列三大部分组成（1）电动机主体嵌入了永磁体的转子和电枢绕组定子；（2）转子位置传感器；（3）电子开关线路。无刷直流电机原理图如下图21无刷直流电动机的工作原理图电机转子的永磁磁钢作用相似，都是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于直流无刷电动机中永久磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的120W汽车用无刷直流永磁电机设计4磁钢装在定子上。电子开关线路是用
17、来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。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直流无刷电动机定上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。综上所述，组成直流无刷电动机各主要部件如下图所示图22直流无刷电动机的组成框图22无刷直流电动机主体电动机本体的主要由主转子和主定子构成。我们在算定子与转子时首要满足电磁性能，在工作气隙中可以产生充足的磁能，电枢绕组中要能通过额定的电流，产生能满足工作要求的电磁转矩，除此之外还要有相当的机械强度，保证
18、电机结构稳固，不会变形，最后经济指标要合理，要能省材料，维修方便，温升恰当，要符合国家标准。（1）主定子主定子是电动机本体的静止不动的部分。主要由导磁良好的定子铁心、电枢绕组及固定用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽契、引出线及环氧树脂等。A主定子铁心它由DG42硅钢片迭成，DG42硅钢片可以减少主定子的铁损耗，是电机常用的定子铁芯材料。将整块硅钢片冲成规定齿槽的环形冲片，齿槽由电机绕组无刷直流永磁电动机电机的主体位置传感器含有永磁磁钢的转子主定子电子换向电路120W汽车用无刷直流永磁电机设计5相数和极对数确定，再把硅钢片按一定数量叠压而成，齿槽中嵌放电枢绕组，绕组中用
19、绝缘纸和槽锲隔绝好，为了减少涡流损耗，我们常在冲片表面上绝缘漆或者做磷化处理。在叠装好的定子后进行整形，浸漆，最后压入机壳，有时为了增加绝缘和机械强度，还采用环氧树脂灌封。B主定子绕组它是是电动机本体的一个最重要部件。当电动机接通电源后，电流流入绕组，产生磁势，后者与转子产生的激磁磁场相互作用而产生电磁转距。当电动机带着负载转起来以后，便在绕组中产生反电势，吸收了一定的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成机械能的过程。显然，绕组在实现能量的转换过程中起着极重要的作用。因此，对绕组的要求为一方面它能通过一定的电流，产生足够的磁势以得到足够的转矩；另一方面要求结构简单，运行可
20、靠，并应尽可能节省有色金属和绝缘材料。绕组由许多线圈联接而成。每个线圈是由漆包线在绕线模上绕制而成。线圈的直线部分放在铁芯槽内，其端接部分有两个出线头，把各个线圈的出线头按一定规律联接起来，即得到主定子绕组。（2主转子主转子是电动机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件。它由三部分组成永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是转子中产生磁场的中心，由永磁体材料和导磁材料组成。本论文所设计的无刷直流电机的永磁体是嵌入在转子上的，用的是稀土永磁材料，转子则同样是由硅钢片冲压后叠压而成，这样就具有良好的导磁性能机械支撑零部件主要是指转轴、轴套和压圈等。它们起固定永磁体和导磁体的作用。转轴由不导磁材料
21、车床加工而成，要求它具有所需的机械强度和刚度。轴套和压圈通常由黄钢或铝等不导磁材料做成。23转子位置传感器转子位置传感器是无刷直流电动机的一个要害部件，在无刷直流永磁电动机中主要起两个作用，一是通过它检测出转子永磁体磁极相对定子电枢绕组所处的位置，以便确定电子换向（相）驱动电路中功率晶体管的导通顺序；二是确定电子换向电路驱动电路中功率晶体管的导通角，从而确定电枢磁场的磁状态。为了实现这两个目的，可根据不同的原理采用如无接触式旋转变压器、光120W汽车用无刷直流永磁电机设计6电式传感器、高频耦合式传感器、磁阻元件传感器等多种不同的结构形式。现将他们各自优缺点列于下表中。图23不同类型的转子位置传
22、感器的比较其中，电磁感应式工作可靠，维护简便，寿命长所以应用较多。它决定着电枢各相绕组开始通电的时刻。它的作用相称于一般直流电动机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻相位相当于直流电动机中改变电刷在空间的位置，对无刷直流电动机的特性有很大的影响。同时位置传感器又可分为接触式和无接触式两种，本设计采用无接触式位置传感器。（1）位置传感器的结构位置传感器和电动机本体一样，也由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。位置传感器种类多，本设计用磁电式位置传感器。A磁电式位置传感器定子由磁芯、激磁线圈、输出线圈和罩壳等组成。位置传感器定子铁芯图24位置传感器定子磁芯120W汽车用无刷
23、直流永磁电机设计7B磁电式位置传感器转子这种位置传感器转子由导磁材料（磁芯）和非导磁材料（衬套）组成。磁芯材料与位置传感器定子的磁芯材料相同。非导磁材料为铜或环氧树脂等。磁芯一般压制成扇形。磁芯与套筒组成一圆环形组件，然后套在电动机本体的转轴上。转子位置传感器在无刷直流电动机中，主要起两个作用。一是确定电子换向电路及驱动线路中功率晶体管的导通角，从而确定电子电枢磁场的磁状态；二是通过它检测转子所处的位置，以便确定电子换向及驱动线路的导通顺序。因此须合理地设计转子位置传感器。24电子换向（相）线路换向（相）又可以称之为“换流”。在无刷直流永磁电动机中，来自转子位置传感器的信号，经过处理后按照一定
24、的逻辑程序，驱使某些与电枢绕组相连接的功率开关晶体管在某一瞬间导通或截止，迫使某些原来没有电流的电枢绕组内开始流通电流，某些原来有电流的电枢绕组内开始关断电流或改变电流的流通方向，从而迫使定子磁状态产生变化。我们把这种利用电子电路来实现电枢绕组内电流变化的物理过程称之为电子换向（相）或“换流”。每“换流”一次，定子磁状态就改变一次，连续不断地“换流”就会在工作气隙内产生一个跳跃式的旋转磁场。电子换向（相）或“换流”是无刷直流永磁电动机的关键技术之一，只有正确的进行“换流”，才能保证无刷直流永磁电动机的可靠运行。120W汽车用无刷直流永磁电机设计8第三章无刷直流电动机的原理与驱动设计31无刷直流
25、电机的基本原理由电机的发展可看出，无刷直流永磁电机是从有刷直流电机发展而来的，现由此先阐述有刷直流永磁电机的工作原理。在有刷直流永磁电动机中，定子主要由永磁体磁极、导磁轭、电刷构件所组成，转子主要由电枢绕组和换向器所组成。电枢绕组按一定规律与换向器连接，两个相邻线圈之间存在一定角位移。假如，处在N极下的某一线圈从0电角度位置开始通电，转子开始旋转，改线圈内的电流在气隙磁场内产生的旋转电磁力矩从0值开始由小到大，再有大到小，当转子转至180电角度是，该线圈产生的旋转电磁力矩又回到0值。这时，该线圈离开了N极进入S极下面，该线圈的电流方向被自动的切换（开关）成相反的方向。开关动作是借助若干个电刷和
26、一个换向器的机械结构来实现的，这种电枢线圈内电流方向的变换被称之为机械换向。这样，在有刷直流电机的某一磁极下，虽然线圈导体在不断的更替，但只要外加电机的极性不变，线圈导体中流过的电流方向始终不变，作用在电枢上的电磁转矩的方向始终不变，电动机的旋转方向也始终不变，这就是有刷直流电动机的机械换向的本质。在无刷直流永磁电动机中，电枢绕组在定子上，永磁体磁极在转子上。定子各相电枢绕组相对转子永磁体磁场的位置，由转子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组相连接的相应的功率开关晶体管，把电流开关或换向到相应的电枢绕组。随着转子的转动，
27、转子位置传感器不断地发出信号，知识电枢绕组不断的依次通电，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动机的无接触式电子换向过程的实质。下图为无刷直流电动机的工作原理图的方框图图31工作原理图位置传感器直流电源电子换向线路电动机本体120W汽车用无刷直流永磁电机设计9同时我们要知道，对于无刷直流电机来说，绕组跟功率开关元件的数目不会很多，毕竟这些产生的电磁转矩波动有点大。32驱动电路工作原理驱动线路的工作原理是位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接接受电动机转子磁钢的位置信号，并把它转换成电信号输出给逻辑控制电路逻辑控制电路对输入信号进行逻辑
28、分析、判断，经过波形变换后输出脉冲信号，供给功率逻辑开关，使电动机定子各相绕组按一定次序导通，则定于相电流随转子位置的变化而按一定的顺序换相流从而驱动电动机不断按一定方向运转。321霍尔位置传感器的分类1按结构分类霍尔器件按结构可以分为三大类霍尔元件、霍尔集成器和霍尔功能组件。一般而言，霍尔器件是有单独半导体霍尔区构成的分立电子元件，它所产生的电动势很低，在使用时还需要外界放大器，不是很方便。随着微电子技术的发展，借助半导体制作工艺将半导体霍尔区及其所需的外周功能电路一起制作在同一块硅外延片上，这就构成了霍尔继承电路和霍尔功能组件。本论文选用的就是这种类型的霍尔元件位置传感器。2按功能分类霍尔
29、传感器按其功能和应用可分为线性型、开关型、锁存型三种。线性型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、输出级等部分组成。可制成用来测量各种物理量。开关型传感器由电压调节器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等组成。锁存型也由电压调节器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等组成。322霍尔元件位置传感器的工作原理霍尔元件是采用霍尔效应制成的一种半导体器件。其原理图如图32所示先把矩形半导体薄片材料放在外加磁场中，在材料两侧通过控制电流时，因为薄片材料收到洛伦兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的磁场，最终使电流受到的洛伦兹力与电场斥力相平衡，
30、从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电势。这一效应就是霍尔效应。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，120W汽车用无刷直流永磁电机设计10还有带正电的空穴。图32霍尔效应原理图一般而言，外加电场HE和外加磁场B等条件相同的情况下，半导体内产生的霍尔效应要显著地大于导体内产生的霍尔效应，因此常采用半导体材料来制作薄片状的霍尔元件。对于图32所示霍尔元件，其霍尔电动势H由下式表示DIBHH31式中的可由下式求出VH8332式中H是霍尔系数（M3/C）；I是控制电流（A）；B是磁感应强度（T）；D
31、是薄片的厚度M；是霍尔元件所用材料电阻率（M）；V是霍尔元件所用材料的迁移率/2SVM。把公式（32）的H代入公式（31）可得到IBKIBDVHH83（33）式中的DVKH83是霍尔元件的灵敏度MV/MAT当磁感应强度B和霍尔元件的平面法线成一定角度，此时霍尔电势为HKHIBCOS（34）当磁密B和霍尔元件的平面不相垂直而存在一定角度时，霍尔电动势的公式相要相应的进行变化。式（33）可见，当霍尔元件在磁场中的位置发生变化时，霍尔电动势的大HE120W汽车用无刷直流永磁电机设计11小和方向也将发生相应变化。从而起到传感位置的作用。33换流线路基本设计换向（相）又可称之为“换流”。在无刷直流电动机
32、中，来自位置传感器的驱动信号，按照一定的逻辑，使某些功率开关元件在某一瞬间导通或截止，电枢绕组内的电流发生跳变，从而改变主定子的磁状态，每换流一次，磁状态就改变一次，这样，在工作气隙内会产生一个跳跃式的旋转磁场。只有拥有正确的“换流”，才能保证无刷直流永磁电动机的正常运行。下面以四相星形非桥式接法的图33为例说明其换流过程图33四相星形非桥式接法换流原理图上图左边是电磁式转子位置传感器的示意图，他的固定部分有高频铁氧体磁芯和八个线圈所组成，四个线圈串联作为原激磁线圈，另外四个线圈UX、VX、WX、ZX作为副边输出线圈，UX、VX、WX、ZX分别与U相、V相、W相和Z相四个电枢绕组相对应。在转子
33、位置传感器的原边激磁线圈通以几百千赫的高频激磁电流的情况下，当旋转部分的高频铁氧体磁心扇形片使副边输出线圈UX与原边激磁线圈耦合时，副边输出线圈UX就有输出信号；而其他的两个副边输出线圈VX、ZX没有与原边相耦合，所以没有信号。这时，利用副边输出线圈UX的输出信号经整流处理后去出发与U相电枢绕组相连接的功率开关晶体管BG1，并使之导通，BG2和BG3因没触发信号而保持截止状态，电源给U相电枢绕组馈电。当转子位置传感器的转子扇形片转过90电角度时，转子扇形片使副边输出线圈VX与原边120W汽车用无刷直流永磁电机设计12激磁线圈相耦合，副边输出线圈VX就有输出信号；而其他两副边输出线圈UX、WX没
34、有与原边激磁线圈相耦合，所以没有输出信号，这是利用副边输出线圈VX的输出信号经整流后去出发与V相电枢绕组相连接的功率开关晶体管BG2，电源给V相电枢绕组馈电，同理W相也同样的馈电，这样随着转子位置传感器旋转部分的转动，电枢绕组便一相一相的一次馈电，从而实现电枢绕组各相之间的换流。在这过程中，工作气隙内会形成跳跃式的旋转磁场，它在360电角度范围内有四个磁状态，每个磁状态持续90电角度。这里，我们把这个功率开关晶体管保持持续导通的电角度称之为该功率开关晶体管的导通角I；把一个磁状态所赤血的电角度称之为状态角Z，为了成功实现无刷电机电枢绕组的换向，为此转子位置传感器旋转部分的扇形片的张角SH必须满
35、足下式决定的条件SHPM2式中，P为磁极对数，M为绕组相数。为了避免启动时出现死点，保证无刷直流电动机的可靠运行，扇形片的张角SH应大于PM2。图34各相绕组的导通示意图其电枢绕组的导通顺序与功率开关晶体管的导通顺序之间的关系可见下表表31一相导通四相四状态情况下电枢绕组与功率开关晶体管的导通顺序时间（电角度）090180270360导通顺序UVWZBG1090180270360120W汽车用无刷直流永磁电机设计13BG2BG3BG434无刷直流永磁电动机的运行特性341无刷直流永磁电动机的机械特性无刷直流电动机的机械特性为22222STASTEEEETUURIUURNTCCCC（35）式中U
36、T是开关器件的管压降；IA是电枢电流；CE是电机的电动势常数；为每级磁通量。通过上面公式可知其机械特性的表达公式与有刷的相同，他们的机械特性都是较硬的。因此在不同电压时，可以得到如35图所示机械特性曲线簇。图35机械特性曲线簇分析上图可知，转矩T越大，转速越小，那么通过电机绕组跟开关管的电流就越大，管压降就随着电流的增大而快速增加，使的电枢绕组上面的电压有所减少，画出出的特性曲线因而会向下弯曲，偏离直线342无刷直流永磁电动机的工作特性工作特性是指电枢电流、输出转矩与电动机效率的关系，如图36所示。120W汽车用无刷直流永磁电机设计14图36工作特性从上图可以进行分析，无刷直流电动机在转矩比较
37、大的条件下有较高的效率，而且只要转矩打，高效率将一直持续，这是因为主磁通受电枢反应影响较小，故当电动机负载增加时，电枢电流增加相对小，铜耗就小，所以最大效率点下降较慢，这个特点特别适合于变负载的场合。因此，在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。343无刷直流永磁电动机的调节特性无刷直流电动机的调节特性如图37所示。图37调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为022ETTRTUUC（35）1EKC（36）从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁
38、磁场不可调。120W汽车用无刷直流永磁电机设计1535无刷直流永磁电动机的控制无刷直流电动机的控制大致分为三种，正反转控制、调速控制、微机控制。因为无刷直流电动机与普通直流电动机的结构差别较大，因此采用改变电源正负极性的措施是不能改变转向的，但是可以通过改变绕组磁势和转子磁场的相对关系来改变旋转方向。351正反转控制本论文设计的无刷直流永磁电动机是应用于汽车上的，根据使用要求，对于车用直流电机必须得实现正反转，经分析研究得出实现正反转的方法有两种。第一种方法是做电机时要安装两套传感器，但是对其安装要求跟关系有限定如果两个传感器转子同轴同角度安装，则它们的定子要相差180电角度安装；如果两个传感
39、器的定子同角度安装，则它们的子要相差180电角度同轴安装。但是这种方法采用了两套转子位置传感器，加长了电动机轴尺寸，增加了电机体积和重量，所以结果并不理想。第二种方法是在安装一套转子位置传感器条件下，凭借数字电路来改变功率晶体管导通顺序，从而实现电动机的正反转。这种方法简单易行，在现有的车用电机中都普遍采用这种方法。352调速控制无刷直流电机的调速控制可以参照有刷直流电机调速方法，有刷直流电机有两种方法来调速一种是调节电机供电电压，这是通用的方法，目前直流电机调速器都是采用这种方法，它是通过驱动器来实现的；另一个方法是调节电机激磁电流，在它励直流电机中可采用该方法，但在永磁直流电机中转子中有永
40、磁体，由永磁体提供磁场，其并没有激磁电流，所以这种方法就不行。无刷直流电机驱动器根据系统要求可实现多种调速方法。连续平滑无级调速这是最基本的调速要求与功能。驱动器有一个调速信号端子，调速信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。目前大多数还是采用模拟信号进行调速控制。通常是05V或者020V的模拟信号对应电机调速到额定转速。调速过程实现恒转矩控制。从这一点看无刷直流电机所具有的功能与有刷直流电机如上一个调速器所实现的功能完全相同，这就体现了无刷直流电机的优点。120W汽车用无刷直流永磁电机设计16调压实现调速无刷直流电动机的调速可通过改变电压的大小来实现，常用的方法有两种一是保持每相导通时间不变，
41、改变每相导通时加在线圈上的电压幅度的大小来实现调速；另一种是保持电压大小幅度不变，改变每相导通时间的长短来实现调速。这一技术与变频调速器、交流伺服驱动器、步进电机驱动器所采用的技术是相同或者一致的。由此我们可以发现，随着技术的日益进步，电机的各项研究已经不仅仅只针对某种电机起作用了，可以把电力电子技术，人机感应，远程控制，脉宽调制，自动控制理论，CPU技术等紧密结合在一起的，统一在一个控制系统进行分析研究。120W汽车用无刷直流永磁电机设计17第四章晶体管饱和管压降的确定根据分析，无刷直流电机的驱动系统的晶体管由达林顿复合管，GTR，IGBT和MOS管几种，他们的饱和管压降各不相同。41达林顿
42、复合管达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。具体接法如下，以两个相同极性的三极管为例，前面三极管集电极跟后面三极管集电极相接，前面三极管发射极跟后面三极管基极相接，前面三极管功率一般比后面三极管小，前面三极管基极为达林顿管基极，后面三极管发射极为达林顿管发射极，用法跟三极管一样，放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积，所以它的特点是放大倍数非常高，达林顿管的作用一般是在高灵敏的放大电路中放大非常微小的信号。如大功率开关电路、驱动电机调速。由于达林顿管具有很高的放大倍数，管子本身的压降会造成温度上升，再加上前级三极管的漏电流会逐级放大，这将导致其热稳定性不佳，为此在管中我们添加均衡电
43、阻，可以大大提高其热稳定性。但就算如此，达林顿管的饱和管压降也较高，约为14V左右。图41达林顿管原理图42GTR（电力双极型晶体管）电力双极型晶体管GTR是一种耐高压、能承受大电流的双极晶体管，也称为BJT，简称为电力晶体管。它与晶闸管不同，具有线性放大特性，但在电力120W汽车用无刷直流永磁电机设计18电子应用中却工作在开关状态，从而减小功耗。GTR可通过基极控制其开通和关断，是典型的自关断器件。GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的
44、主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。为了保证器件的工作安全，GTR的最高工作电压应该要比最小击穿电压要低。处于深饱和区的集电极电压称为饱和压降，在大功率应用中它是一项重要指标，因为它关系到器件导通的功率损耗。单个GTR的饱和压降一般不超过115V。对于GTR管，它耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降比较低，但是它开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。43IGBTIGBT又称绝缘栅双极型三极管，是由BJT双极型三极管和MOS绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻
45、抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但是驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDSON数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDSON特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT技术高出很多。较低的压降，转换
46、成一个低VCESAT的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。IGBT的优点很多，比如开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小。这些优点对于无刷直流电机的应用是比较有效的。120W汽车用无刷直流永磁电机设计19图42IGBT的原理图44MOS功率模块MOS功率模块这种自关断的新型功率器件已广泛应用于开关电源，电机调速，不间断电源等诸多领域。和GTR相比，它具有开关速度高，安全工作区交款，驱动功率小等优点。由于此为一个模块，他的价格较高，性能优越，是较理想的电子元件。根据我们所学
47、的模拟电子知识可知对于正向压降来说，硅管为07V左右，锗管为03V左右。而所设计的电机驱动器件由于是在整体上计算，根据技术资料可知功率开关晶体管的饱和管压，对于达林顿复合管和GTR而言，饱和管压大约等于15V，但是这两种管子需要较大的驱动功率，线路连接也比较复杂，此设计的无刷直流电机功率本就小，体积也小，本着简单易行，能减少损耗，易于操作的原则，这两种管子不是特别理想。对于IGBT而言，饱和关押约等于10V。虽然价格高点，但是它的压降低，驱动管子所需的功率小，初步分析此电动机的电枢电流小于20（A），这个电流的冲击也能承受，所以这是较好的选择器件选用MOS功率模块的话，饱和管压可以视为0V，但
48、是这个器件的价格是所有晶体管中最贵的，假如用此管，那么制造成本将很高，不利于大范围生产。为了达到各项指标的统一，本次设计的晶体管决定采用IGBT类型，由此可认定饱和管压为10V。120W汽车用无刷直流永磁电机设计20第五章无刷直流永磁电动机电磁系统设计此章节是本论文的重点章节，具体阐述无刷直流电动机磁路结构及各项有关的尺寸，并且写出此设计的电磁设计清单。写无刷直流永磁电机的电磁系统，首先应根据所提供的技术指标，选恰当的电枢绕组和电子换向电路的结合方式，和与之相对应的转子位置传感器形式（或选择无位置传感器的控制方式）。然后才能对电动机的磁路系统和电路系统进行合理设计。只有这样才能设计出重量轻、尺
49、寸小和经济指标好的无刷直流电动机；另外还要选择适当的电磁参数，以满足电动机的运行特性。本课题采用的位置传感器形式是借助于霍尔效应的磁敏式形式，电子换向线路采用星形桥式接法、以及一相导通星形四相四状态的形式。51定子铁心内径DA的选择直流无刷电动机的转子外径DA随单位转速的输出功率P值成正比，当电动机的单位转速输出功率P相同时，其DA大致一样。因此，根据不同设计要求的转速与额定功率，要采用不同的直流无刷电动机定子铁心内径尺寸。这样DA的各种不同尺寸不能随意选择，而是按一定的比值递增的，其递增的比值应考虑到整张硅钢片的合理剪裁、系列电动机功率等级递增的配合和冲模装备的继承因素来全面衡量，一般定子内径是规范化的。在设计无刷直流电动机时，一些需要反复变换速度和反复启动制动的电动机，为了减少转动惯量，提高电动机动态性能，一般选择小一点的直径；对于恒速且稳定性要求较高的电动机，为了减小其长度，以减少电抗电动势，一般采用大点的直径。在此根据已提供的技术指标，可以确定定子铁心内径DA94MM。52电磁负荷的选择通常我们把电枢直径DA和电枢铁芯计算长度LI为主要尺寸。在通常的电机中，主要尺寸、电动机的计算容量和电磁负荷之间存在着如下的关系ABKP
