基于RMxprt_的无刷直流电机(BLDC)设计

《基于RMxprt_的无刷直流电机(BLDC)设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、Ansoft培训：基于RMxprt的无刷直流电机（BLDC）设计山东大学贝加莱现代电机控制实验室beta@mail.sdu.edu.cn一、无刷直流电机的基本原理无刷直流电机的特点是，定子绕组通入阶跃的电流，产生步进的磁动势。而永磁转子则在这个步进的磁动势中转动。额定工作时，转速比较稳定，转子的磁场可以认为是稳定旋转的，而定子的磁场则是步进的，因此二者的磁场产生的转矩是脉动的。通常来讲，无论交流电机还是直流电机，定转子磁场正交时（即轴线互差90°电角度）产生的转矩最大。无刷直流电机的定转子磁场之间的夹角是时大时小的，如果平均值为9

2、0°电角度，那么，一个“导通状态”（即定子电流不变，转子稳定旋转）下的“定转子平均磁场夹角”可以认为是正交的角度。下面举例说明。例子是：一相导通星形三相三状态。特点：3相集中绕组，极对数为1，电角度即为机械角。如图1，A相流过电流，产生磁动势Fa，起始导通时刻，Fa与转子磁动势Ff夹角为150°。在A相导通的时间段内，绕组磁动势Fa的方向是固定的，而转子磁动势Ff则旋转了120°（黄色区域所示），又考虑到转子的转速恒定，因此这个导通过程中，Fa与Ff的平均夹角为90°，电角度也是90°，即实现了定转子磁场的“平均正交”。转子转到图

3、1b)所示的位置时，A相电流关断，B相开通，磁动势Ff与Fb又产生一个150°的夹角。在Ff实际旋转了120°（Ff与Fb平均夹角90°）后，C相开通，B相关断，又进行下一个导通状态，周而复始。图2给出了这个例子的控制电路。以上就是BLDC的基本原理。a)b)c)图1BLDC电机实例的一相导通星形三相三状态工作图图2BLDC电机实例的控制电路二、电机设计要求基本要求：P550W，n1500rpm，=0.85，U220(VDC)，本着尽量节省用铜的设计原则。NNN控制方式：如图3所示，正交两相四状态。开环控制。图3控制方式拓

4、扑图三、电机的总体设计规划1）确定极对数由电机的频率计算公式f=pn/60=25p得，在50Hz附近的开关管频率下，电机的极对数选择为p=2最为合适。2）确定极弧系数极弧系数（机械极弧系数）即为永磁体在极距内得占有率，太低了降低气息磁密和电机性能，太高了浪费了永磁体也不提高多少性能。按照流行的设计方案，取极弧系数=0.7。p3）确定槽数每极每相槽数为q，电机的总槽数为Z=2pmq=2*2*2*q=8q，为了降低齿槽转矩，需要槽数增多（槽数越多，转子旋转一个机械周期所经历的齿槽转矩的周期越多，其齿槽转矩的幅值也越小），按照流行的设

5、计方案，这里取q=3。Z=24。4）电枢表面占空比电枢表面占空比，即电枢圆周上，导线宽度的占有率。如导线宽度与导线之间的空隙的比例是1:1，占空比就是50%。电枢表面占空比，直接影响了绕组的端部长度。图4给出了在相同的电枢周长下（相带宽度/m也相同），不同电枢表面占空比下，端部长度的对比。可见，50%占空比，比66.6%的占空比时的端部长度要短不少。图5给出了端部倾斜角的计算方法，进而可以计算出端部长度。图4不同电枢表面占空比下端部长度的对比图5占空比和端部长度的几何约束由图5可知，占空比的表达式为sin(*1)因此，根据

6、(*1)，可以由占空比，直接求出端部导线的倾角θ，然后结合极距，即可求得端部伸出长度L=tan(*2)end2212根据(*2)，可以得到端部长度与占空比的关系曲线，如图6所示。从曲线中，选择50%的占空比作为本次设计的依据。可以看出，50%占空比，端部长度仅为极距的0.3左右，是较为理想的，在开槽工艺上也较为方便（齿槽之间1:1）。43.532.521.5端部长度与极距的比值10.50020406080100电枢表面占空比(%)图6端部长度与占空比的关系曲线5）电流密度、热负荷与线负荷电枢是一个圆柱侧面。热负荷为电

7、流在“单位电枢面积”上产生的焦耳热损耗。电枢上的总的铜耗为：2l2PmNRI2mN2I2mNlIJ(*3)CurefS这个公式参考自《电机设计》课本的有关章节（附录一），其中，R每根导体的有效电阻；ref导体材料的电阻率；l每根导体有效部分的长度；S每根导体横截面积；J导体电流密度。于是，单位电枢面积上的铜耗，即热负荷为，PCu2mNlIJ2mNIqJAJ(*4)aDlDlD2mNI其中，A称为线负荷，代表单位电枢周长上的电流有效值的大小。D电机的设计体积，是直

8、接收到发热的影响的。发热可以烧毁两个部件：导体和铁心。决定是否烧毁绕组的参数是导体电流密度J，决定是否烧毁铁心的参数是热负荷q。a①导体电流密度J。这个参数影响导体单位体积内的发热量，决定导体是否被烧毁。“容许电流密度”是根据散热条件计算得到的最大