无刷直流电动机调速器组装工艺.docx
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无刷直流电动机调速器组装工艺
无刷直流电动机调速器组装工艺
陈先勇
摘要:
当前在工业先进的国家里,工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电动机所替代。
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上升趋势。
我所设计的是直流无刷电动机的调速器。
关键词:
无刷直流电动机;霍尔位置传感器;调速;
引言:
无刷直流电动机是近年迅速兴起的一种新型电机,它广泛应用与工业,农业,以及军事等领域。
无刷直流电动机系统既保持了直流电动机良好的调速控制特性,由具有寿命长、可靠性高、无换向火花及低噪音等优点,又消除了电刷和换向器的机械接触。
它的应用将越来越广。
1无刷直流电动机的发展和研究状况
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。
传统的直流电动机存在换向器,因而存在碳刷磨损和碳刷粉末玷污线圈绝缘及其它零部件问题,由此带来火花、维护困难、寿命短等致命缺陷,但直流电动机的调速性能好,起动性能好,故在调速性能要求高的场合,可用直流电动机。
随着电子技术的迅速发展和高能永磁材料的出现,能使直流电动机做得和交流电动机一样结构简单,耐用,而又具有良好的性能。
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、数字电子技术和各种物理原理为后盾。
因此它具有很强的生命力。
1.1无刷直流电动机的发展和特点
研究和分析微特电机的应用和发展,人们肯定会得出这样的看法和结论:
无刷直流电动机将会持续当前迅速发展的势头,并将在要求高性能的应用领域中逐步取代其它类型的电机,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,转子上放永久磁钢。
无刷直流电动机的电枢绕组相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,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。
和有刷直流电机相比,无刷直流电动机由于革除了电的滑动接触机构,因而消除了故障的主要根源。
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,会在转子铁心内产生一定的铁损）。
总的来说,除了轴承旋转产生摩擦损耗外,转子的损耗很小,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。
在工业应用中,无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显优势。
近几年,随着稀土永磁材料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服电机在工业中的应用越来越广泛。
1.2无刷直流电动机的研究和开发进展
稀土永磁无刷电动机效率高,性能好,体积小,重量轻,安全可靠,无需维修,寿命长,因而已经被广泛地应用在数控机床、航空航天、计算机外围设备等高科技领域中。
现代的无刷直流电动机,其构造实际上是1台永磁式步进电动机（一种永磁式同步电动机）。
其转子是由永久磁铁组成,定子上存在着多相绕组,如图1所示的是常见的三相无刷电机的结构系统示意图。
图1.1无刷电机结构系统
除此之外,有人已经开发研制了高性能的五相直流无刷电机,高性能价格比的两相无刷直流电动机。
它们使用的都是直流电源,经过如图1所示的闭环控制线路,将直流电源按照给定的顺序轮流地接通各相绕组,使无刷电动机达到给定的运行特性。
可见,无刷直流电动机就其基本结构系统而言,主要包括永磁电动机本体、控制电路和位置传感器三部分组成,其原理方框图如图2所示。
由此可见,无刷直流电动机的性能价格比主要由上述三部分决定。
图1.2无刷直流电动机结构原理框图
永磁电动机本体的性能价格比主要由所选用的永磁材料本身的性能价格比和无刷电动机磁路结构设计和工艺的合理性决定。
1.3无刷直流电动机在工业中的应用
当前在工业先进的国家里,工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电动机所替代。
现在从国外进口的设备中,已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统了。
这些国家相关的公司（如美国、英国、日本、德国等）已经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机了。
在一般的工业驱动应用领域,不论电机设计还是系统设计,提高效率节约能量都应该被放在重要的位置。
据报道,美国55%以上的电力是消耗在电动机运行上,因此提高电动机的效率,很有意义。
在所有类型电机中,无刷直流电动机的损耗最小、效率最高。
有资料做过对比分析,对于7.5kW的异步电机系统效率可达86.4%,可是同样容量的无刷直流电动机效率可达92.4%。
[6]
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上升趋势。
无刷直流电动机在工业中应用也越来越广,应用主要体现在以下几个方面:
1.4无刷直流电动机的发展趋势
无刷直流电动机是一种机电一体化产品,除了传统的电机本体外,还必须带有传感器,以检测定、转子之间相对位置。
而且离开了驱动控制电路,它不可能运行。
同样的,电子技术和电子元件的发展又进一步推动无刷直流电动机的发展。
1.4.1性能改进和新品种的开发
无刷直流电动机中,应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动,特别是用于视听设备、电影机械、计算机中的无刷直流电动机,更要求运行平稳、没有噪声。
在这些应用场合中的电动机,大多为小功率、小尺寸的电动机,尺寸紧凑,改动更为困难。
为了改进性能,利用计算机进行模拟、分析、计算、比较,研究气隙磁场形状和磁极结构,选择合适的极对数和槽数以及合适的槽口尺寸。
为了满足各种要求,也在不断的开发各种类型的无刷直流电动机。
如:
无槽电机,定子铁心无齿槽只有磁轭,定子绕组直接放在定子铁心轭上;盘式电机,具有两个轴向的气隙,在小容量的情况下,这种电机容易做到低噪声、低振动、低转矩脉动,高效率、高功率密度。
和有刷直流电动机相对应,新品种中还包括:
无刷直流力矩电动机、无刷直流直线电动机、无刷直流有限转角电动机、低惯量无刷直流电动机等等[20]。
2无刷直流电动机结构和原理
2.1无刷直流电动机
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,经过它们把电流馈给旋转着的电枢。
无刷直流电动机却与前者刚好相反,它具有旋转的磁场和固定的电枢。
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直接与电枢绕组连接。
电动机内还装有一个位置传感器,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。
综上所诉,无刷直流电动机及驱动系统是由电动机本体和驱动器构成,是一种典型的机电一体化产品。
2.1.1电动机本体
电动机的本体主要是有主定子和主转子构成.主定子是电动机本体的静止部分。
主转子是电动机的本体转动部分,是产生激磁磁场的部件。
电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。
电动机转子由钕铁硼永磁材料构成。
在定转子形成的气隙中产生N-S极相间的方波磁场,因此也把这种电动机称为”方波电动机”。
为了使电动机绕组准确换向,在电动机内装有位置传感器,作为转子极性的位置信号。
2.1.2位置传感器
检测主转子位置的位置传感器是实现无接触换向的一个极其重要的一个组成部件,因此,它是无刷直流电动机的一个关键部分。
当前在无刷直流电动机中常见的位置传感器有霍尔元件、光电管、电磁式位置传感器和索尼磁性二极管（SMD）等。
位置传感器可分为接触式和无接触式两种。
接触式传感器出现的较早,它的结构简单,紧凑,用于比较简单的场合。
它和有刷直流电动机相比较,无疑是一种创新,因它把有刷直流电动机的大电流直接接触（电源经过电刷、换向器的接触而加到电枢绕组中去）该为小电流接触,然后经过放大而把电源加到电枢绕组中去。
可是,这种结构依然存在机械接触,当电动机连续工作几千小时后,传感器的闭合次数十分频繁,可高达109次之多。
这显然比触头所允许的闭合次数大好几个数量级。
当强烈震动,高真空及腐蚀性介质中工作时,运行不可靠,甚至有危险,不能维修,在有些自动控制系统、飞行器、核动力装置和能源装备等不宜采用。
无接触式位置传感器则能弥补上述不足。
因此本次毕业设计则采用霍尔位置传感器来检测主转子的位置。
2.1.3电子换向电路
电子换向电路和位置传感器相配合,起到与机械换向器类似的作用,因此,电子换向电路也好似无刷直流电动机实现无刷接触换向的一个重要组成部分。
电子换向电路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调,预放大,功率放大,然后去触发末级功率晶体管,使电枢绕组按一定的逻辑程序馈电,保证电动机的可靠运行。
2.2无刷直流电动机的原理与运行特性
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的,因此设计无刷直流电动机时首先必须了解其工作原理,了解其换向,换流过程以及定子、转子的设计和位置传感器的选择,这对与设计无刷直流电动机有着极为重要的意义,下面将对以上内容做具体的分析。
2.2.1无刷直流电动机的工作原理
一般所说的直流电动机是指具有换向器和电刷的直流电动机。
在这种电动机中定子侧安装固定主磁极和电刷,转子侧安放电枢绕组和换向器。
直流电源的电能经过电刷和换向器进入电枢绕组,产生电枢电流,电枢电流与主磁场相互作用产生转矩,带动负载。
然而由于电刷和换向器的存在,结果产生了一系列致命的弱点:
ａ]结构复杂,可靠性差,故障多,需要维护,维护又困难,寿命短。
ｂ]换向火花形成电磁干扰。
无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上,为去除电刷和换向器而研究开发的。
由于无刷直流电动机没有电刷和换向器,它的绕组里电流的通、断是经过电子换向电路及功率放大器实现的。
要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩,就应使电枢电流随磁场位置的变化图随无刷直线电动机原理示意图而变化。
为实现这一点,就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。
一般采用位置传感器来完成,由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号,然后去驱动功率器件,控制相应绕组电流的通、断。
与有刷直流电动机不同,无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上,而电枢绕组安装在定子上。
位置传感器也有相应的两部分,转动部分和电动机本体中转子同轴连接（转动部分一般由电机转子代替）,固定部分与定子相连。
2.2.2运行特性分析
无刷直流电动机是随着电子技术迅速发展而出现的一种新型电机。
传统的直流电动机存在换向器,因而存在碳刷磨损和碳刷粉末玷污线圈绝缘及其它零部件问题,由此带来火花、维护困难、寿命短等致命缺陷,但直流电动机的调速性能好,起动性能好,控制性能好,故在调速性能要求高的场合,可用直流电动机。
随着电子技术的迅速发展和高能永磁材料的出现,能使直流电动机做得和交流电动机一样结构简单,耐用,而又具有良好的性能。
无刷直流电动机的运行特性是指电动机在起动、正常工作和调速等情况下,电动机外部分可测物理量之间的关系。
电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。
因此我们最关心的是它的转距、转速,以及转距和转速随输入电压、电流、负载变化而变化的规律,据此,电动机的运行特性可分为:
起动特性、工作特性、机械特性和调速特性。
3无刷直流电机驱动器的基本功能
在无刷直流电动机中,换向、控制部分实际上起到了直流电动机中电刷整流子的换向作用,是产品设计中一个至关重要的问题。
要实现无刷直流电动机的定子绕组在转子磁钢不同位置时的逐相顺序通电,就必须用转子位置信号来控制与定子绕组串联的功率开关元件的导通顺序．我们采用磁钢与开关型霍尔元件作为位置传感器．
一套了良好的无刷直流电动机的电子线路必须满足工作稳定可靠,功率损耗小,寿命长,成本低等要求,这些就是我们设计无刷直流电动机的电子线路的出发点。
一台完整的无刷直流电动机是由电动机的本体、位置传感器和电子线路组成。
电子线路又由震荡电路、解调电路和功放电路组成。
3.1电流换向功能
换向功能主要由位置传感器、逻辑电路及功放电路共同完成。
位置传感器将转子的位置信号反馈到驱动器的逻辑电路部分,其输出信号经电压放大去驱动功放纵,功效部分向电机绕组按逻辑要求轮流供电,电机就按一定方向旋转起来。
这些就是无刷直流电机原理的基本构架。
它是驱动器的核心部分。
驱动器一切其它功能都是围绕它进行设计的。
3.2调速功能
该功能是无刷直流电机驱动器的附加功能,但确是极其主要的功能。
有刷直流电机调速有两种方法,一个方法是调节电机激磁电流,在它激直流电机中可采用该方法。
但在永磁直流电机中这种方法就不行。
另一种方法是调节电机供电电压,这是通用的方法,当前直流电机调速器都是采用这种方法,无刷直流电机也不例外,它是经过驱动器来实现的。
3.3驱动电路工作原理
驱动线路工作原理是:
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．
4无刷直流电动机调速器装配工艺
调速器装配工艺能够分为4大步骤,分别为压装铜套、摇臂,组装摇臂,弹簧、限位销组装,霍尔板、拨叉组装。
４.1压装铜套、摇臂
所需零件及用量为开关轴套一个、开关盒一个、摇臂一个、卡簧一个、平垫片（D8）一个、开关轴一个、止付螺丝M5*8。
辅助工具有专用工装夹具手压机、卡簧钳、手压机、T型内六角板手。
４.1.1压装铜套、摇臂的步骤
图4.1
1用手压机把开关轴套①压进开关盒机ø１２孔内;
2用卡簧钳将卡簧⑤装入开关轴滚花端⑥卡槽内;
3开关轴⑥滚花端压入摇臂③孔内,然后将垫片④装入开关轴紧贴卡簧端面;
4将止付螺丝⑦粘取适量的5319螺纹胶,锁入摇臂;
４.1.2压装铜套、摇臂注意事项及自检内容
注意事项:
1在压装时铜套必须放垂直,倒角面大的向下,否则将挤裂铜套孔外壁;
2卡簧钳夹装卡簧时开口不易过大,卡簧无变形。
3开关轴与摇臂D型面必须对齐,压装到摇臂端面贴紧卡簧为止;注意垫片安装方向;
4螺栓锁紧,避免滑丝;
自检内容:
1、压装铜套到位,开关盒轴套孔外壁无破损,挤裂现象;
2、开关轴压装到位;
3、螺丝锁紧,无松动;套孔外壁;
４.2组装摇臂
所需零件及用量为平垫片一个、卡簧一个、摇臂一个。
辅助工具有卡簧钳。
４.2.１组装摇臂的步骤
图4.2
1将已经压装到摇臂的开关轴涂取适量的黄油装入轴套孔内;
2将垫片①装入开关轴另一端并紧贴铜套断面,然后压入卡簧②;
４.2.2组装摇臂的注意事项及自检内容
注意事项:
1.安装到位,开关轴芯在铜套孔内必须轻顺滑动;
2.垫片安装到位,卡簧钳夹装卡簧时开口不易过大,装好后无变形,开关轴与铜套轴
向间隙≤0.15mm.
自检内容:
1、压装铜套后,开关盒轴套孔外壁是否破损,挤裂;
2、安装完后摇臂能自由摆动;
3、轴向间隙≤0.15mm;
４.3卡簧、限位销组装
卡簧、限位销组装所需的零件及用量为限位销一个、限位弹簧一个、M8螺母一个、限位调节螺栓一个、弹簧挂钩螺钉一个、拉簧一个。
辅助工具有14mm固定扳手、8mm固定扳手、专用工具。
４.3.1卡簧、限位销组装步骤
图4.3
1将限位销①装人开关盒的销孔内,然后套上限位弹簧②;
2将螺母③锁进调节螺栓④,然后将限位螺栓锁入开关盒;
3将弹簧挂钩螺钉⑤锁人指定的开关盒螺丝孔内;
4拉簧⑥上端挂入螺钉槽内、下端摇臂槽内;
４.3.2卡簧、限位销组装所需注意的事项及自检内容
注意事项:
1限位销能在销孔内上下轻顺滑动,径向间隙≤0.1mm,限位弹簧必须套上销柱;
2限位调节螺栓端面与开关盒端面距离为9mm为止再锁紧螺母;
3锁紧螺栓,避免滑丝;
4注意弹簧的方向,先入螺钉槽再入摇臂槽。
自检内容:
1、限位销必须能上、下轻顺滑动;
2、拉簧两端是否都入槽,能作用于摇臂,拉簧的弯钩不得触碰开关盒表面;
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