无刷直流电机的设计与仿真研究

摘要：无刷直流电机是一种集电机和电力电子一体化的高科技产品，它具有其他电子产品所没有的独特优势，所以被广泛运用在工业生产等多个领域。为了更好地了解掌握无刷直流电机的设计和运作原理以及仿真研究，文章针对无刷直流电机进行了相关的分析与探讨。

关键词：无刷直流电机；设计原理；仿真研究；永磁体；异步电动机

中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）35-0032-02

无刷直流电机具有高速率、高效率、长寿命等特性，因此被广泛运用在家电、航空航天等领域，甚至在采矿设备上也有所运用。但是无刷直流电机在设计上仍然存在许多缺陷，这些都不利于电机的操作与使用。因为无刷直流电机的研发和使用在我国起步较晚，所以还有许多待改善的方面。全面分析无刷直流电机的设计与仿真研究，才能更好地运用该项科学技术，为生产带来更多的经济效益。

1 无刷直流电机的设计理念概述

无刷直流电机技术运用较为成熟的是美国ON Semiconductor和Motorola等公司，我国对于无刷直流电机的研究起步较晚，因此在使用和研发上存在许多不足，与美国或其他技术先进的国家有一定的差距，在理论研究上还有改善提升的空间。因此需要对无刷直流电机的设计十分重视，积极了解和掌握基础的设计理念和设计方案。施工区人多手杂，因此它的用电管理在一定程度上有难度，即使施工企业已经对工人的用电安全进行管理，甚至是进行三级的安全培训，但是还是有个别员工对安全的意识很薄弱，对于这种看起来很小的事更是不重视。但往往我们在调查安全事故的时候，配电箱未上锁，导致误触的现象很多。

要想更好地深入研究无刷直流电机就需要了解无刷直流电机与其他电机之间的差距与设计上的区别，以便更加全面地掌握相关设计细节。以下将无刷直流的电机和异步电动机以及永磁同步机等做比较，来分析无刷直流电机在设计上的独特性。

1.1 无刷直流电机与异步电动机两者的区别

首先在设计上，前者用的是高效便捷的一个控制系统，而后者则采用的是一个变频调速的控制，因此在控制上存在不确定性。为了改善控制的非线性问题，无刷直流电机采用六状态转子位置检测方案，简化了控制系统。无刷直流电机的体积相对于异步电动机来说较小，这样使得机器在运行过程中所产生的的惯性变小，有利于机器的高效运转。由于临时用电场所人多、施工环境复杂，一个开关多组出线，不仅对使用造成了麻烦，也较容易使施工人员误触电线，发生触电事故。另外，电源线多不宜做绝缘防护工作，使开关承受过大的拉力，更易破损。但是在工人施工时，某些施工机则需要搭接临时的电源工作，地上的电工通常情况下会忽略用电的安全，大家都会贪图省事，因而会做不规范的操作。在实际的检查过程中，我们会发现很多的员工只是将闸刀的开关上的胶木盖去下，然后就直接将其挂在保险丝的上面。这样会使得闸刀的开关中的保险丝发生暴露，因此很容易造成触电的事故。除此之外，电源之间的搭接点容易出现氧化，因此会产生导线发热。

1.2 无刷直流电动机与永磁同步电动机的相关对比

无刷直流电动机与永磁电动机的设计理念也存在许多区别，主要涉及以下三个方面：第一，使用的电波不同。无刷直流电机的是矩形波，但是永磁同步机则选用的是正玄波。同样的条件下，前者所产生的反电动势程度更大，产生的能量更多；第二，无刷直流电机在设计上更加容易满足电机的性能和使用的要求。采用的成本上也相对较低，在生产中更加实用。第三，不同于永磁同步电动机，无刷直流电机采用的是自控运行，减少了变频控制带来的负面影响，同时，也就使得负载发生时容易出现震荡与失步。

通过上述可知，无刷直流电机与相关电机进行比较可以总结出在设计中应当注意哪些方面。例如在设计电机过程中要确定其尺寸、电机设计自身的某些参数，包括电机的极对数、电机的相对数、气隙的长度以及永磁体的尺寸。为了满足工程设计的精确性，还应当考虑电机的磁场问题以及对电机性能的比较等。如对定子齿辅助沟设计能有效降低定转子间的齿槽转矩，降低电机运行时的噪音，对无刷直流电机进行仿真分析如磁密分布以提高整机性能。

2 无刷直流电动机的工作原理

无刷直流电机的工作原理比较复杂。其主要是利用永磁电机功率为120，而导通型的半桥逆变的电路，在电机进行工作时，永磁转子的磁极是定子在0相的电枢中产生梯形的反电动势，而驱动电压则是准矩形的。在360度的范围之内，电枢可以绕组转换6次。在电机运行时，只要处于通电的状态下，每一相的通电电流位都是一样的。而无刷直流电机则是将电刷去掉之后，要求电机运行时有外部电路对其进行控制，由数字控制的方式来实现电机之间的换相。

由无刷直流这种电机主要是由控制器来产生PWM的信号进行控制，属于桥式逆变的电路，对于其具体控制的时序则是任何时刻会有两个不同的桥式电路IGBT管进行导通，然而两根管子会不在同一桥臂上面，每个管导通1200，60，换相一次。

3 无刷直流电动机的绕组联接与换相的方式

当前，对于无刷直流的电动机通常情况下是选用的三对相对称的绕组，但是由于此三项绕组不但可以进行星型的连接，与此同时还可以进行角型的连接。另外，其功率的逆变器还包括非桥式与桥式这两种。所以，无刷直流的电动机其主电路的主要包括星型连接的三相半桥式、角型连接的三相桥式以及星型连接的三相桥式这三种方式。

4 结语

无刷直流电机与异步电动机在设计上具有一些差别，主要体现在以下方面：为了更好地提高电机的运行效率，无刷直流电机采用的是永磁体，加强了降温散热的功能，这样不仅减少了消耗，而且也解决了电机运行发热的问题，在一定程度上降低了运行的总功率，提高了电机的整体效率。

参考文献

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作者简介：娄志刚（1962-），男，卧龙电气集团股份有限公司技师，工程师，研究方向：电机设计、制造工艺。

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