小型电动清扫车驱动用无刷直流电动机设计概述
【摘 要】首先在充分调研的基础上，掌握无刷电机的结构、原理和特性，尤其是各种类型的位置传感器、电枢线圈和电子换向线路的组合方式，以及不同换流方式，为下一步的建模和仿真奠定良好基础；其次，根据小型电动清扫车的技术参数和要求，构建小型电动清扫车无刷直流电机驱动系统的仿真模型，在电磁场仿真软件Maxwell平台下展开对设计方案静态和动态性能的仿真研究；第三，根据仿真结果，给出方案设计的建议和意见。
【关键词】无刷电机；换流方式；电子换向线路；Maxwell平台
【Abstract】First of all， on the basis of sufficient investigation and research， master the structure， working principle and characteristic of brushless motor， especially the combinations of the various types of position sensor， an armature coil and electronic commutation circuit， and changing flow， lay a good foundation for the next step of modeling and simulation； secondly， according to the technical parameters and requirements of a minitype electric sweeper construct small electric cleaning vehicles no brush DC motor drive system simulation model， launches in the electromagnetic simulation software Maxwell platform to design scheme of static and dynamic performance simulation research； third， according to the simulation results， design suggestions and opinions.
【Key words】Brushless motor； Commutation mode； Electronic commutation circuit； Maxwell platform
1 研究背景
1.1 无刷直流电动机
无刷直流电动机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电动机，它是现代工业设备、现代科学技术和军事装备中重要的机电元件之一。无刷直流电动机是以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电子技术、数字技术和各种物理原理为后盾，因此它具有很强的生命力。
随着国民经济的发展、科学技术的进步和人民生活永平的提高。对电机的性能提出了许多新的更高的要求。而无刷直流电动机的问世和不断完善，以及电力电子技术的发展，为满足这些要求提供了可能。
无刷直流电动机是最近发展起来的结合了多学科技术的一种新型电机，其最大特点就是没有换向器（整流子）和电刷组成的机械接触机构。加之，它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样，热阻较小，散热容易。结合机电一体化，具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性、无换向火花等优点，同时还具有低噪声和长寿命等特点。
众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢和固定的磁场。因此，有刷直流电动机必须有一个滑动的接触机构——电刷和换向器，通过它们把电枢流馈给旋转着的电枢。无刷直流电动机却与前者相反，它具有旋转的磁场和固定的电流。这样，电子换向线路中的功率开关元件，如晶体管或可控硅等可直接与电枢绕组连接。
另外，在电动机内，装有一个位置传感器，用来检测主转子在运行过程中的位置。它与电子接向线路一起，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）电动机本体——带有电枢绕组的定子和永磁转子；（2）位置传感器；（3）电子换向线路。
与此同时，随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展。数值计算、优化设计和仿真技术等现代设计方法的不断完善，经过电机学术界和工程界的共同努力，在无刷直流电动机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面都取得了突破性进展，形成了一整套分析研究方法和计算机辅助分析、设计软件。
1.2 小型电动清扫车驱动用电机的选型
由于最终电动清扫车需要批量生产，所以它的驱动电机需要具有结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜等优点。目前，市场上满足以上需求在电动汽车上己经使用的驱动电动机大致分为：直流电动机、感应电动机、永磁电动机和新型的开关磁阻电动机。
直流电动机具有结构简单、技术成熟、控制容易等优点，在早期的电动汽车和需要结构简单、动力性要求较低的电动汽车中得到了广泛运用，特别是一些场地专用电动车如：清扫车、观光旅游车、巡逻车等。换向器限制了电动机的转速，还有换向器和电需要定期维护，从而限制了直流电动机在电动汽车领域的广泛应用。
感应电动机具有效率高、功率较大、转速快、可靠性高及价格便宜等优点，使得它在电动汽车驱动电机领域占有很大比例。但是其控制系统比较复杂，导致控制成本相对较高，在一定程度限制了感应电动机在低成本电动汽车上的应用。
永磁电动机具有效率更高、高转速、可靠性好、体积小、质量轻、便于维修及采用矢量控制的调速系统使得它具有较宽广的调速范围等优点，使得它在电动汽车领域以后的发展空间比较大。但是永磁材料在恶劣工况下容易产生磁性衰退现象，以及永磁材料目前价格比较高，这些缺点限制了永磁电动机在电动汽车领域的进一步推广。
开关磁阻电动机是一种新型的电动机，具有结构简单、转矩-转速特性好、调速范围广及控制灵活等优点。但是它的调节性能和控制精度要求较高、工作噪声较大、技术还不完全成熟，这些缺点限制了开关磁阻电动机的发展。
综上所述，考虑到电动清扫车的驱动电机的转速相对较低，工作时振动频繁、噪声大、扬尘多，生产成本、维修方便等因素，本文选择直流电动机作为电动清扫车的驱动电机。
2 研究内容
小型电动清扫车驱动用无刷直流电动机的研究。其中最主要的就是其结构和原理。而结构和原理中最重要的是各种类型的位置传感器，电枢线圈和电子换向线路的组合方式，以及不同换流方式。无刷直流电动机，按照它们的工作特性，基本上可以分为两大类：
（1）直流电动机物性的无刷直流电动机。这类电动机由直流电源供电，借助位置传感器所检出的信号去触发对应的电子换向线路以实现无接触式换流。很显然，这种无刷直流电动机具有直流电动机的各种运行特性。
（2）交流电动机特性能无刷直流电动机。这类电动机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变为交流电，然后去驱动一般的异步电动机，所以，它具有异步电动机或同步电动机的很多运行特性。
严格说来，只有具有直流电动机的特性才能称为“无刷直流电动机”。
我们研究的是一种应用于电动自行车上现的无刷直流电动机。它主要是完成以下的设计内容：
（1）无刷直流电动机的电磁设计方案；
（2）无刷电动机的驱动系统的设计；
（3）主要零部件图的绘制；
（4）说明书。
它的要求主要是技术方面的要求如下：
Un=48v Nn=1500r/min ηn=85% Pn=1.8kw
论文研究的是应用于小型电动清扫车上的无刷直流电动机，它要求小巧，质量轻而功率要达到预定的要求。还有我们要适当的选择电磁参数，以便满足电动机的运行特性，例如起动转矩倍数，时间常数，转矩波动，转速稳定度以及效率等。电力自行车是电瓶供电， 所以我们需要电机的效率高来达到省电的目的。同时我们在设计时选择合适的电机设计尺寸来达到与电机配套产品合适安装的目的。
3 研究方法、步骤和措施
采用以下几种方法对无刷直流电动机进行设计分析，可以得到令人满意的结果。大功率无刷直流电动机除采用直流电机设计方法外，还可用交流同步电机理论和设计方法对其进行分析，这是因为无刷直流电动机本体是一台永磁同步电机，采用同步电机理论分析中的矢量方法，可反映出无刷直流电动机本身的一些内部特性，从而可得到功率因数 定子漏抗、交、直轴电抗等参数。对于方波驱动的无刷直流电动机，计算电枢电流，电磁转矩等性能时，可以利用电机稳态运行时的周期性，在某一换向周期内，对应具体的驱动方式。建立正确的数学模型，并采用计算机仿真计算。
4 主要研究步骤
4.1 进行方案选择
整个电机的设计分为多个不同的部份和环节，其中不同的环节我们可以用不同的方法来实现。在设计的最开始，我们就必须根据性能要求，电机的经济性，实用性，其的工艺性，甚至社会性进行方案的选择。
4.2 按照所选方案进行具体的设计计算
在电机的设计方案确定后，再根据电机的性能要求进行数据方面的计算其中包括电磁设计和所用材料的性能校核来检验方案的合理性和为后一步的具体技术方面设计准备依据和标准。
4.3 按照设计计算结果进行具体技术方面设计
在这个环节中，我们必须进行具体的电机各个部份零件的尺寸，材料和各零件的加工工艺的确定。其中包括电机的结构设计，各部分所选用材料设计。必须给出电机的主要零部件图，电机的装配图，必要的话还要给出电机所用材料的性能数据图。
4.4 样机的试制和实验
在完成各部份的设计工作后，可以生产出样机来进而对设计工作进行实验。通过实验，可以检查电机是不是达到了课题要求的性能，如没有达到就必须进行必需的设计改动。再一次重复前面的工作。
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[责任编辑：汤静]
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