直流無刷電機(jī)本體設(shè)計(jì)

1、電機(jī)與拖動(dòng)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(dòng)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am2 1500m/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. 定子繞組計(jì)算，包括定子繞組形式、定

2、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(dòng)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(dòng)機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其他起動(dòng)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(dòng)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)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變

3、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ㄗ酉嚯娏麟S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(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。 其原理框圖如圖 2-1-2 所示。Vl Iv： Iw本目本自本艇地電塞挖串.思若圖2-1-1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖圖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，具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(dòng)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)單元，綜上所述，組成直流無刷電

5、機(jī)各主要部件的框圖，如圖 2-1-4所小o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。具電樞繞組通電后產(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(dòng)電動(dòng)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 上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場，它不能與運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永

6、磁磁場 相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，直流無刷電動(dòng)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(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在（兀/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，每一功率管導(dǎo)通1200電角度。各功率管的導(dǎo)通順序是 V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V

7、1、。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 mTa,方向在Ta 和一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)所示，其大小同樣為 3T Taio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J3Ta

8、不變。圖2-2-1 (c)示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。1對 Teaa)b)c)圖2-2-1定子繞組在空間合成轉(zhuǎn)矩矢量圖(a) VI、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° ,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(dòng)比三相半控時(shí)小

9、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)既要保證電動(dòng)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)。

10、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2-4-1所示，它可以 作為選定Da的初步依據(jù)。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)算得一 410.8 10 kW g(r/min)從圖2-4-1

11、的曲線對比，取 Da=3.4cm=34mm。（2）電磁負(fù)荷的選擇(2)2.6.1 104 kD PnDa La gg BA s 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）。由式（2）可知，電負(fù)荷A與磁負(fù)荷B的選擇與電動(dòng)機(jī)的主要尺寸直接相關(guān)。 同時(shí)，A、B的數(shù)值與電動(dòng)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，選用較高白磁負(fù)荷B可以節(jié)約有效材料、縮小電機(jī)體積。但是B 過

12、高會(huì)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(dòng)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(huì)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

13、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。2-4-2 電負(fù)荷 A 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La6.1 104 kD PN2 g一 g一QAD：n圖2-4-4計(jì)算極弧系數(shù)s與轉(zhuǎn)子外徑Da的關(guān)系由Da=3.4cm,根據(jù)圖2-4-4,參

14、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，Da2La是 一定的。因此，如果把Da選得大一些，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(dòng)機(jī)計(jì)算長度與定子內(nèi)徑的比值來表示：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）78.310.210.61213.81

15、6.219.521.024.529.432.736.842.349.356.065.085.099.0120150180215285315350380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2 p-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，定子腕及機(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；

16、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。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，而定子腕的鐵損耗則增加很少，因?yàn)殍F腕的重量反 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 股說，電機(jī)效率隨極數(shù)的增加而有所下降。12 50mm 0目前，直流無

17、刷電機(jī)的容量比較小，極距若取極對數(shù)p=2,則25.9mm烏 3.14 33 2p 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鍥粘合金、鐵氧體和鉉鐵硼等。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

18、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

19、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，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

20、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

21、第二定律，可得(6)HmLmHs 0環(huán)形永久磁鋼的平均長度（m）;氣隙長度（m）;Hm 環(huán)形永久磁鋼內(nèi)部的磁場強(qiáng)度（A/m）;Hs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)2 ；2)Bt3)空載電樞齒磁密BstbtKFe； （bt齒寬，KF，電樞沖片疊片系數(shù)， t齒距）B-L 15.85BS.4）空載電樞腕磁密2hj1KFeL ; （ hj1電樞腕高）Bj2b5）空載轉(zhuǎn)子腕磁密2bj2L ; （ bj2轉(zhuǎn)子磁腕等效寬度）6）氣隙磁勢F 1.6 K B 106 ; （K氣隙系數(shù)）7）定子齒磁勢Ft2H

22、tht； （ht槽高）8）定子腕部磁勢Fj1HjlLj1； （ Lj1電樞鐵心腕部沿磁路計(jì)算長度）9）轉(zhuǎn)子腕部磁勢Fj2Hj2Lj2 ; （ Lj2轉(zhuǎn)子腕部沿磁路方向長度）10）總磁勢11）總磁通 mFt Fj1 h一 一一41.2 15.85BS 10 Wb2.6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) 盡量減少齒寬和腕厚，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(dòng)，需要采用合適的極槽配合，使得Q Zs/2p A C/D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

23、分的分 數(shù)。理論和實(shí)踐證明，D越大，電機(jī)的起動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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0.8 p左右，

24、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(dòng)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(dòng)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360°電角度。顯然電角度是與磁極數(shù)

25、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)X機(jī)械角度圖 2-6-2 電動(dòng)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(dòng)勢波形歸納起來，直流無刷電動(dòng)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(dòng)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，電動(dòng)機(jī)定子有多少個(gè)槽，就會(huì)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

26、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(huì)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。(8)(10)繞組為整距時(shí)，繞組基波感應(yīng)電勢應(yīng)為 基波感應(yīng)電勢Ei2 2Emcos( t) ,所以短距繞組的圖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I和導(dǎo)體R組成，線圈的節(jié)距y1小于極距其節(jié)距比為B。采用短距繞組后，該繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電

27、勢比全距繞組的應(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)間的起導(dǎo)體I的基波感應(yīng)電勢EiEmsin t () Emsin( t -)22導(dǎo)體II的基波感應(yīng)電勢E2Emsin t () Emsin( t -)22繞組的基波感應(yīng)電勢E12EiE2 Emsin( t -) sin( t )22Emsin cos t2E12 Ei2sin 2 E12 kpi2(11)式中kpl基波短距因數(shù)，kP1 Sin( /2)o短

28、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