水下電機(jī)(精)

1、水下推進(jìn)電機(jī)1. 交流、直流電機(jī)原理簡(jiǎn)介交流電機(jī)大致可分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)是由直流供電的勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的交流電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同的交流電機(jī)。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁極對(duì)數(shù)p、電源頻率f之間滿足n=60f/p。轉(zhuǎn)速n決定于電源頻率f，故電源頻率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，且與負(fù)載無(wú)關(guān)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又稱“異步電動(dòng)機(jī)”，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動(dòng)機(jī)中不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并不是用機(jī)械方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。而是以交流電通于數(shù)對(duì)電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)

2、循環(huán)改變，故相當(dāng)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場(chǎng)平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場(chǎng)方向?qū)⒏淖儯虼舜藭r(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。2. 電機(jī)選取一般來(lái)說，水下電機(jī)既是系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)又作為系統(tǒng)自身的負(fù)載存在，因而在實(shí)際應(yīng)用中，總是希望水下電機(jī)具有較高的功率密度，以此來(lái)滿足水下電機(jī)的小型化、輕型化要求，同時(shí)要求電機(jī)效率高，出力大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，安全性高等特性，并具有一定程度的容錯(cuò)性。交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，但是調(diào)節(jié)性能差；而直流電機(jī)具有良好的調(diào)節(jié)性

3、能和啟動(dòng)性能。但是有刷直流電機(jī)的電刷造價(jià)高，而且容易產(chǎn)生換向火花，換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，而且可靠性也不夠高。20世紀(jì)五六十年代，微電子器件和電力電子器件的發(fā)展使得電子換向取代了機(jī)械換向，從而使有刷電流電機(jī)變成了直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC )。稀土永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠;體積小，重量輕;損耗小，效率高;電機(jī)形狀和尺寸靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用極為廣泛。而永磁直流無(wú)刷電機(jī)的特點(diǎn)是可控性好，調(diào)速范圍寬;可靠性好，工作壽命長(zhǎng);采用永磁體產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)子損耗小，效率較高;具有電子控制部分和電子多相逆變器。這些特點(diǎn)剛好滿足水下電機(jī)的性能要求，現(xiàn)階段國(guó)外水下推進(jìn)器普遍采用這種電機(jī)，功率等級(jí)也在逐

4、步提高。3. 直流無(wú)刷電機(jī)直流無(wú)刷電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和位置傳感器加電子換相電路三部分組成。其結(jié)構(gòu)原理轉(zhuǎn)子為永磁磁鋼，電樞繞組分布在定子上，通過位置傳感器和電子開關(guān)電路(電子換相)使定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)始終保持垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子不停地旋轉(zhuǎn)。4.電子換向過程和轉(zhuǎn)動(dòng)控制原理定子繞組采用三相繞組星型連接，電子換向電路采用三相全橋電路。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的換向過程如下:(1) t=0o時(shí)，圖3-1中功率開關(guān)晶體管1, 6導(dǎo)通，電流方向從電源正極流出經(jīng)晶體管1，U，V，6，流向電源負(fù)極;(2) t=60o時(shí)，功率開關(guān)晶體管1, 5導(dǎo)通，電流經(jīng)正極，晶體管1，U，W，5流向電源負(fù)極;

5、(3) t=120o時(shí)，功率開關(guān)晶體管3，5導(dǎo)通，電流經(jīng)正極，晶體管3，V，W，5流向電源負(fù)極;(4) t=180o時(shí)，功率開關(guān)晶體管3，4導(dǎo)通，電流經(jīng)正極，晶體管3，V，U，4流向電源負(fù)極;(5 ) t=240o時(shí)，功率開關(guān)晶體管2，4導(dǎo)通，電流經(jīng)正極，晶體管2，W，U，4流向電源負(fù)極;(6) t=300o時(shí)，功率開關(guān)晶體管2，6導(dǎo)通，電流經(jīng)正極，晶體管2，W，V，6流向電源負(fù)極;(7) t=360o時(shí)，重復(fù)t=0o狀態(tài)。三相星型橋式連接電路位置傳感器是組成無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的三大部分之一。轉(zhuǎn)子位置傳感器在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中主要有兩個(gè)作用，一是檢測(cè)永磁體與定子電樞的相對(duì)位置，以便確定電子換向驅(qū)

6、動(dòng)電路中功率晶體管的導(dǎo)通順序;二是確定電子換向電路中功率晶體管的導(dǎo)通角，確定電樞磁場(chǎng)的磁狀態(tài)。常見的位置傳感器有電磁式、磁敏式、光電式、磁阻元件等類型。這里可以選用磁敏式位置傳感器，它由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成。霍爾集成電路具有無(wú)觸點(diǎn)、低功耗、長(zhǎng)使用壽命等特點(diǎn)，采用塑封材料包封成一體化，能在各類惡劣環(huán)境下可靠地工作。對(duì)于二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)電機(jī)，需要3個(gè)霍爾傳感器。為使電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，用電機(jī)本體的端部磁場(chǎng)作為霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子，利用電機(jī)的定子鐵心作為霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的定子鐵心。功率開關(guān)器件的導(dǎo)通角為120o。電子換向器由控制器來(lái)控制，同時(shí)控制器還可以控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止，正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速的調(diào)

7、節(jié)，過壓過流欠壓等保護(hù)。下面是控制器的一種實(shí)現(xiàn)方式：其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成的驅(qū)動(dòng)電路按照一定的時(shí)序?yàn)锽LDC通電，根據(jù)電機(jī)電壓和電流的不同可以選擇不同的驅(qū)動(dòng)電路，如MOSFET、IGBT或者直接使用雙極性三極管。驅(qū)動(dòng)示意圖假設(shè)驅(qū)動(dòng)電壓和電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓相等（包括驅(qū)動(dòng)電路本身的損耗），當(dāng)PWMx按照給定的時(shí)序開和關(guān)時(shí)無(wú)刷電機(jī)將會(huì)以額定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。為了調(diào)速，我們使用遠(yuǎn)高于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通常我們需要至少10倍于電機(jī)最高頻率的PWM驅(qū)動(dòng)波形。當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)波形的占空比變化時(shí)，使得其在定子上的有效電壓變化，這就實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速，另外，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源電壓高于電機(jī)

8、本身的額定電壓時(shí)，我們可以調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)使得驅(qū)動(dòng)電源電壓適合電機(jī)的額定驅(qū)動(dòng)電壓?？上攵覀兛梢允褂猛粋€(gè)控制器去掛接不同額定電壓的電機(jī)，此時(shí)只需要用控制器改變一下PWM的占空比就行了。另 外還有一種控制方式：當(dāng)微控制器的PWM輸出不夠用時(shí)，可以在整個(gè)通電時(shí)序內(nèi)將上臂一直導(dǎo)通（即上臂不使用PWM）而下臂使用PWM驅(qū)動(dòng)。5. 基本公式和特性直流無(wú)刷電機(jī)的基本物理量有電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等，這些與氣隙磁場(chǎng)分布、電樞電流波形、繞組形式有密切的關(guān)系，稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)可做成均勻氣隙，使空載氣隙磁場(chǎng)波形獲得近似的梯形波，其平頂寬度應(yīng)大于120o電角度，以獲得較大的電磁

9、轉(zhuǎn)矩。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的永磁無(wú)刷電流電機(jī)基本公式如下: (5.1)式中，B為導(dǎo)體所在電樞表面位置的氣隙磁通密度; 為導(dǎo)體有效長(zhǎng)度;V為導(dǎo)體相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的線速度。 (5.2) 式中，p為極對(duì)數(shù);為極距;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。每相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為: (5.3) 式中，為電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)。將式（5.1）、（5.2）帶入式（5.3）得 (5.4)氣隙磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)每極磁通為 (5.5)式中，為極弧系數(shù)每項(xiàng)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： (5.6)用上式計(jì)算電勢(shì)時(shí)，是把氣隙磁場(chǎng)視作矩形波，而實(shí)際上氣隙磁場(chǎng)為梯形波，因此應(yīng)該再乘以一個(gè)波形修正系數(shù)。電壓平衡方程為： (5.7)式中，U為電源電壓; 為開關(guān)

10、晶體管壓降; r為每相繞組電阻。繞組相電流: (5.8)平均電磁轉(zhuǎn)矩 (5.9) 根據(jù)式（5.6）（5.7）可得理想空載轉(zhuǎn)速 (5.10) 6. 案例介紹假設(shè)電機(jī)主要指標(biāo)如下(1)額定功率：PN=500(w)(2)額定電壓：UN=48(V)(3)額定轉(zhuǎn)速：nN=400(r/min)(4)相數(shù)：3相(5)連接方式：星型假設(shè)要求水下推進(jìn)器外徑在20cm左右。因此取機(jī)殼外徑(cm)預(yù)取電機(jī)效率對(duì)于連續(xù)工作狀態(tài)的小功率電機(jī)，其計(jì)算容量根據(jù)公式有式中，為電樞直徑（cm）; 為電樞鐵心計(jì)算長(zhǎng)度（cm）; 為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(r/min) =400 (r/min ) ; 為計(jì)算極弧系數(shù)，0.7; 為磁場(chǎng)波形

11、系數(shù)， 1.11; 為繞組系數(shù)，0.98; A為線負(fù)荷，一般取50150 (A/cm)，特殊情況下可以取200 300 ( A/cm )設(shè)計(jì)的電機(jī)在水下工作，散熱條件良好，故此處取A 150 (A/cm) ;為氣隙磁通密度(T)，由于采用釹鐵硼永磁體，此處取0.85 (T)。取= 17.8(cm)時(shí)，電樞鐵心計(jì)算長(zhǎng)度為(cm)取=3.0 (cm)定子方面的參數(shù)定子沖片材料：DW315-50硅鋼片磁極數(shù)：2P(這里P=10)齒數(shù)：Z (這里齒數(shù)選的是Z=60)定子鐵心外徑：Daj=20（cm）定子鐵心內(nèi)徑:=17.8 (cm)定子鐵心長(zhǎng)度：=3. 0（cm）槽外圓直徑:DZ1=19.0 (cm)

12、槽內(nèi)圓直徑：DZ2=18.0 (cm)齒高：極距 (cm)齒距齒寬式中，0.85 (T)；1.80 (T); 0.95 (T)取齒寬=0.47（cm）齒高：槽開口：b0=0.15 (cm)電樞鐵心軛部高度：式中， =1.70（T）取電樞軛部高度=0.50（cm）工作氣隙取=0.08（cm）電樞鐵心軛部沿磁路方向一對(duì)磁極的平均長(zhǎng)度:槽下底寬：槽上底寬：槽截面積：轉(zhuǎn)子方面的參數(shù)轉(zhuǎn)子磁軛部鐵心沖片材料: DW315-50硅鋼片轉(zhuǎn)子磁軛鐵心沖片的外徑:DRj=16.84 (cm)轉(zhuǎn)子磁軛鐵心沖片的內(nèi)徑:DRd=15.6 (cm)轉(zhuǎn)子磁軛沖片鐵心的長(zhǎng)度: =3.0 (cm)轉(zhuǎn)子磁軛沖片的高度:hRj=0.62 (cm)轉(zhuǎn)子磁軛鐵心沿磁場(chǎng)方向一對(duì)磁極的平均長(zhǎng)度: 轉(zhuǎn)子外徑(永磁體外徑):DR=17.64 (cm)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度(永磁體軸向長(zhǎng)度): =3.0 (cm)轉(zhuǎn)子永磁體極弧寬度:bM=2.4 (cm) 轉(zhuǎn)子永磁體極弦寬度:bm=2.392 (cm)轉(zhuǎn)子永磁體的中性截面積: 轉(zhuǎn)子永磁體沿磁場(chǎng)方向的厚度:hm=0.4 (cm)轉(zhuǎn)子永磁體沿磁場(chǎng)方向一