1、收 稿 日 期 : 1999 08 29永 磁 无 刷 直 流 电 机 专 辑 无 刷 直 流 电 动 机 相 数 、 槽 数 及 绕 组 连 接 方 式 的 选 择李 忠 杰 1 琚 晶 淼 2(合 肥 工 业 大 学 , 安 徽 合 肥 230009; 荣 事 达 电 机 有 限 公 司 , 安 徽 合 肥 230041)The M ethod of Selecting Pha se, Slot Num ber and W indingConnection Type of Brushless DC M otorL i Z hong j ie1 J u J ingm iao2(H efeiU
2、 niversity of T echnology,A nhui H efei 230009; Rongsh ida M otor Co. L td. ,A nhui H efei 230041)【 摘 要 】 介 绍 无 刷 直 流 电 动 机 设 计 中 , 关 于 相 数 、 极数 、 槽 数 及 绕 组 连 接 方 式 的 选 择 方 法 和 应 遵 从 的 规 律 。【 关 键 词 】 无 刷 直 流 电 动 机 相 数 槽 数中 图 分 类 号 : TM 38 文 献 标 识 码 : A文 章 编 号 : 1004- 7018 (1999) 05- 0011- 03【 Abstra
3、ct】 Th is paper p resents the m ethod ofselecting phase, slot num ber and w inding connection typeand introduces the law s that should be obeyed in the designof brush less DC motor.【 Keywords】 brush less DC motor phase num ber slot num ber1 引 言无 刷 直 流 电 动 机 结 构 与 传 统 直 流 电 动 机 不 同 ,是 “ 反 装 式 ” 或 “ 里
4、 翻 外 ” 结 构 。 即 电 枢 固 定 , 磁 极 旋转 和 永 磁 同 步 电 动 机 结 构 更 为 相 似 。 电 枢 铁 心 也 是由 硅 钢 片 叠 成 , 铁 心 有 齿 槽 , 放 置 多 相 绕 组 , 与 有 刷直 流 电 动 机 不 同 , 工 作 过 程 中 (电 流 ) 应 该 是 换 相 ,而 不 是 换 向 。 在 无 刷 电 动 机 设 计 中 , 电 枢 绕 组 的 相数 、 极 数 、 槽 数 、 绕 组 的 排 列 及 连 接 方 式 有 较 多 选 择自 由 , 不 同 选 择 对 电 机 性 能 有 重 要 影 响 。 本 文 简 述设 计 应 遵
5、 从 的 规 律 和 选 择 时 应 注 意 的 问 题 。2 相 数 选 择无 刷 直 流 永 磁 电 动 机 和 永 磁 同 步 电 动 机 相 似 ,电 枢 放 置 多 相 绕 组 , 多 相 绕 组 由 功 率 电 子 元 件 的 开关 电 路 供 电 , 不 受 工 频 电 源 限 制 , 电 枢 绕 组 相 数 可在 较 大 范 围 内 选 择 。 绕 组 的 相 数 可 选 二 、 三 、 四 、 五 直 至 十 五 相 , 但 用 得 最 多 的 是 三 相 及 四 相 , 五相 以 上 的 相 数 用 得 较 少 。绕 组 相 数 选 择 应 该 考 虑 到 : 绕 组 的
6、利 用 程 度 、电 子 开 关 电 路 的 复 杂 程 度 及 成 本 、 转 矩 脉 动 及 电 子元 件 应 力 等 , 根 据 不 同 的 使 用 条 件 来 综 合 决 定 相数 。2. 1 绕 组 利 用 程 度在 有 刷 直 流 电 动 机 运 行 的 任 何 时 刻 绕 组 里 所有 导 体 都 通 电 , 除 换 向 元 件 外 , 都 产 生 转 矩 。 而 在 无刷 直 流 电 动 机 运 行 时 绕 组 是 依 次 一 相 一 相 通 电 (或几 相 通 电 ) 产 生 转 矩 , 从 这 个 角 度 看 , 相 数 越 多 , 绕组 利 用 程 度 越 低 。 文 献
7、 2 给 出 两 台 三 相 及 四 相 单极 型 无 刷 直 流 电 机 对 比 , 两 台 电 机 具 有 相 同 的 尺寸 、 电 压 、 控 制 电 路 布 局 及 铁 耗 , 四 相 电 机 转 矩 密 度大 9% , 用 铜 量 增 加 36%。2. 2 电 子 线 路 复 杂 程 度 及 成 本相 数 增 加 , 所 用 开 关 元 件 数 增 加 , 电 路 复 杂 , 成本 也 增 高 。2. 3 转 矩 脉 动无 刷 直 流 电 动 机 转 矩 脉 动 比 有 刷 电 机 大 。 相 数越 多 , 转 矩 脉 动 就 越 小 , 研 究 和 实 验 表 明 相 近 的 奇数
8、 相 比 偶 数 相 转 矩 脉 动 小 。2. 4 电 子 元 件 的 应 力在 保 证 不 同 相 数 有 相 同 的 出 力 及 电 压 的 前 提下 , 随 相 数 增 加 , 每 相 电 流 减 少 , 因 而 元 件 的 电 应 力减 少 。3 极 数 选 择无 刷 直 流 电 动 机 的 磁 极 对 数 p 与 电 机 转 速 n之 间 不 象 永 磁 同 步 电 动 机 有 着 如 式 (1)的 严 格 对 应关 系11无 刷 直 流 电 动 机 相 数 、 槽 数 及 绕 组 连 接 方 式 的 选 择n = 60fp (1)式 中 : f 同 步 电 动 机 供 电 频 率
9、 。但 无 刷 直 流 电 机 转 速 与 极 对 数 (通 过 反 电 势 )有 一 定 的 约 束 关 系 , 以 三 相 星 形 桥 式 六 状 态 电 路 为例 , 理 想 空 载 转 速 n0n0 = 5. 785 u - 2$uTpW1K dp 5 D0(2)式 中 : u 电 源 电 压 ;$uT 电 子 开 关 电 路 管 压 降 ;W 1 相 绕 组 匝 数 ;K dp 绕 组 系 数 ;5 D0 气 隙 磁 通 。在 电 机 主 要 尺 寸 确 定 , 选 择 极 对 数 时 , 应 综 合考 虑 运 行 性 能 和 经 济 指 标 , 参 照 直 流 电 机 极 对 数
10、选择 方 法 作 几 个 方 案 比 较 , 而 不 是 一 个 唯 一 定 数 。3. 1 极 对 数 与 材 料 利 用 率若 气 隙 磁 密 及 电 枢 直 径 不 变 , 2p 5 D 实 际 不 变 。随 着 极 数 增 加 , 每 极 磁 通 减 少 , 使 得 电 枢 轭 及 定 子轭 部 减 少 , 用 铜 用 铁 量 减 少 , 所 以 外 转 子 低 速 运 转无 刷 电 机 多 数 选 取 极 数 较 多 。3. 2极 对 数 与 电 机 效 率随 着 极 对 数 增 加 , 铁 芯 磁 场 交 变 频 率 增 高 , 铁耗 增 加 , 电 子 器 件 换 向 损 耗 增
11、 加 。 虽 然 电 枢 电 流 密度 不 变 时 , 铜 耗 略 有 降 低 , 电 动 机 的 效 率 还 是 随 着极 对 数 的 增 加 而 降 低 。3. 3 极 对 数 与 电 感极 对 数 增 多 , 电 枢 每 相 电 感 减 少 , 对 换 相 有 利 。4 槽 数 选 择4. 1 整 数 槽 绕 组有 些 资 料 认 为 无 刷 直 流 电 机 的 槽 数 应 为 相 数和 极 对 数 的 整 数 倍 , 这 是 针 对 微 型 无 刷 直 流 电 动 机往 往 采 用 整 距 集 中 绕 组 而 言 。 例 如 二 对 极 三 相 时 槽数 应 为 12。 为 了 构 成
12、 多 相 对 称 绕 组 , 槽 数 必 须 是 相数 的 整 数 倍 , 但 不 一 定 是 极 数 的 整 数 倍 。 随 着 功 率增 大 或 外 转 子 应 用 , 为 了 改 善 电 机 性 能 , 电 枢 绕 组也 可 以 采 用 分 数 绕 组 ,z = 2pm q (3)式 中 : q 每 极 每 相 槽 数 , 可 以 为 整 数 , 也 可 以 为 分数 。4. 2 分 数 槽 绕 组分 数 槽 绕 组 的 无 刷 直 流 电 动 机 , 电 枢 槽 数 不 仅可 以 不 是 极 数 的 整 数 倍 , 而 且 槽 数 可 以 少 于 磁 极数 , 只 要 满 足 绕 组
13、对 称 条 件 就 能 保 证 各 相 产 生 的 转矩 对 称 。 常 见 的 分 数 槽 绕 组 q 为 一 个 假 分 数q = b + cd (4)式 中 , b 为 整 数 , c d 为 一 不 可 约 的 真 分 数 , 该 种 绕组 的 对 称 条 件 及 排 列 方 法 3 已 介 绍 。 当 z 2p , q 为真 分 数 , 是 否 能 够 组 成 对 称 绕 组 , 对 称 条 件 又 是 如何 ?仔 细 分 析 交 流 绕 组 的 对 称 条 件 对 q 为 真 分 数 时依 然 适 用 。 可 以 简 洁 表 述 为q = z2m p = cd (c d ) (5)
14、式 中 : d 与 c 为 无 公 约 数 , 当 d 不 是 m 或 m 的 倍数 , 如 果 各 相 绕 组 彼 此 位 移 2c (d 为 奇 数 ) 或 c 个 槽距 (d 为 偶 数 ) , 则 该 绕 组 必 定 是 对 称 的 。例 1: 电 动 自 行 车 用 外 转 子 三 相 无 刷 直 流 电 机 ,其 定 子 (电 枢 ) 36槽 , 转 子 用 钕 铁 硼 磁 钢 , 20对 极 。则 q = 362 3 20 = 310即 d = 10, c= 3, 每 相 绕 组 彼 此 位 移 3个 槽 , 符 合 对称 条 件 。 三 相 绕 组 排 列 分 配 如 下 :A
15、 1 23 3 10 113 12相 19 203 21 28 293 30B 7 83 9 13 143 15相 25 263 27 34 353 36C 4 53 6 16 173 18相 22 233 24 31 323 33(注 : 3 代 表 槽 内 绕 组 要 反 接 )例 2: 洗 衣 机 洗 涤 及 脱 水 用 无 刷 直 流 电 动 机 , 定子 (电 枢 ) 45槽 , 外 转 子 用 铁 氧 体 磁 钢 , 30对 极 。则 q = 452 3 30 = 14即 d = 4, c= 1, 每 相 绕 组 位 移 一 个 槽 , 符 合 对 称 条件 , 三 相 绕 组 排
16、 列 分 配 如 下 :A 1 4 7 10 13 16 19 22相 25 28 31 34 37 40 43B 3 6 9 12 15 18 21 24相 27 30 33 36 39 42 45C 2 5 8 11 14 17 20 23相 26 29 32 35 38 41 445 绕 组 的 连 接三 相 及 多 相 无 刷 直 流 电 动 机 电 枢 绕 组 连 接 方法 主 要 有 星 形 和 多 边 形 连 接 。 下 图 表 示 由 桥 形 电 路供 电 五 相 永 磁 无 刷 电 机 电 枢 绕 组 连 接 图 。其 中 : S A S E 及 S A S E表 示 由 晶
17、 体 管 组组 成 开 关 电 路 ,W A W E 表 示 电 枢 绕 组 。 图 中 实线 表 示 星 形 联 接 , 五 相 绕 组 有 一 个 星 形 中 点 O。 五21 微 特 电 机 1999年 第 5期相 绕 组 按 虚 线 联 接 则 构 成 多 边 形 联 接 。五 相 永 磁 无 刷 电 机 电 枢 绕 组 连 接 图多 相 绕 组 联 接 成 星 形 可 以 有 一 个 中 点 或 多 个中 点 。 例 如 一 个 六 相 绕 组 , 可 以 将 A、 B、 C、 D、 E、 F各 绕 组 联 接 一 个 中 点 , 也 可 以 把 A、 C、 E 三 相 联 接成 一
18、 个 中 点 , 再 把 B、 D、 F 三 相 联 接 成 另 一 个 中 点 。接 成 多 边 形 也 可 以 有 不 同 的 联 接 次 序 , 例 如 上 述 五相 电 枢 绕 组 可 以 一 次 联 接 , 按 A - B - C- D - E-A 顺 序 接 成 五 边 形 , 也 可 分 两 次 联 接 , 按 A - C- E- B - D - A 顺 序 接 成 五 角 星 形 。不 同 的 联 接 方 式 , 同 一 种 联 接 方 式 中 点 数 目 不同 或 联 接 次 序 不 同 , 采 用 适 当 的 通 电 方 式 , 对 电 机主 要 性 能 没 有 太 大 影
19、 响 , 但 影 响 电 子 开 关 线 路 的 参数 , 影 响 电 枢 磁 势 中 谐 波 含 量 , 影 响 转 矩 脉 动 。6 结 语本 文 分 析 了 无 刷 直 流 电 动 机 设 计 时 , 对 相 数 、极 数 、 槽 数 及 绕 组 联 接 选 择 应 考 虑 的 问 题 , 在 遵 从一 定 的 基 本 原 则 基 础 上 , 可 以 有 较 多 方 案 选 择 , 明确 这 些 问 题 对 没 有 成 熟 设 计 经 验 或 特 殊 要 求 的 永磁 无 刷 直 流 电 动 机 的 设 计 将 有 所 裨 益 。参 考 文 献1 李 忠 杰 等 . 逆 变 器 供 电
20、交 流 电 机 相 数 选 择 J . 微 特 电 机 , 1992;(5) : 17 212 杨 亮 泽 . 对 三 相 及 四 相 单 极 无 刷 永 磁 电 机 驱 动 评 价 J . 电 机 制造 商 , 电 机 风 机 专 辑 , 19983 张 琛 . 直 流 无 刷 电 机 原 理 及 应 用 M . 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 ,1992(上 接 第 10页 )电 机 转 矩 控 制 可 通 过 改 变 该 状 态 高 频 调 制 时 的 占空 比 来 实 现 , 占 空 比 越 高 , 电 机 转 矩 越 大 。4 实 验 方 案实 验 方 案 的 示 意 框 图
21、 如 图 9所 示 。 通 过 一 测 量电 路 测 量 各 开 路 相 电 压 , 同 时 计 算 电 压 差 值 uU GP、uV GP、 uW GP, 并 将 结 果 输 入 微 处 理 机 。 微 机 依 据 各 开路 电 压 差 来 切 换 相 应 的 工 作 状 态 , 并 输 出 PWM 调制 信 号 。图 9 应 用 开 路 相 电 压 的 实 验 框 图起 动 时 , 微 机 可 先 使 电 机 绕 组 进 入 某 导 通 状 态一 段 短 时 间 , 以 实 现 转 子 的 初 始 定 位 。 接 着 转 入 下一 导 通 状 态 时 , 即 可 用 上 面 所 述 方 法
22、 以 一 定 的 占 空比 高 频 调 制 该 导 通 状 态 , 并 通 过 开 路 相 电 压 检 测 转子 位 置 , 保 证 以 后 状 态 的 正 确 切 换 。 即 使 电 机 在 大负 载 下 以 很 低 速 连 续 运 行 , 该 方 法 仍 可 保 证 电 机 可靠 地 运 行 。5 结 论永 磁 转 子 表 面 按 一 定 要 求 粘 贴 非 磁 性 材 料 , 并以 测 量 开 路 相 电 压 作 为 判 断 转 子 位 置 的 依 据 , 该 方法 能 可 靠 地 实 现 未 知 负 载 下 无 位 置 传 感 器 的 无 刷直 流 电 动 机 的 起 动 和 低 速
23、运 行 。 该 方 法 并 不 增 加 电机 的 体 积 和 接 线 , 是 无 刷 直 流 电 动 机 取 消 位 置 传 感器 的 一 种 有 效 方 法 。参 考 文 献1 金 如 麟 , 张 尉 堂 . 无 刷 直 流 电 动 机 的 微 处 理 机 控 制 系 统 J . 微特 电 机 , 1983; (1) : 1 62 邹 继 斌 , 张 豫 . 无 位 置 传 感 器 无 刷 直 流 电 机 驱 动 电 路 的 研 究J . 微 电 机 , 1999; (2) 16- 183 刘 明 基 , 王 强 . 电 动 势 换 向 无 刷 直 流 电 机 预 定 位 方 式 起 动 J .微 特 电 机 , 1999; 27 (2) : 8- 104 Tom ita M , Yam aguchi H , Doki S, O kum a S. A SensorlessE stim ation of Rotor Position of Cylindrical B rushless DC M otorU sing Eddg CurrentJ . IEEE IECON , 1996; (3) : 1723- 172831无 刷 直 流 电 动 机 相 数 、 槽 数 及 绕 组 连 接 方 式 的 选 择
