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无刷直流电动机调速器组装工艺
陈先勇
摘 要：现在在工业优异国家里,工业自动化领域中有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电动机所替换。伴随电子技术进步,电子工业发展,电子元器件价格不停下降。考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗等)以后,无刷直流电机应用正处上升趋势。我所设计是直流无刷电动机调速器。

关键词：无刷直流电动机；霍尔位置传感器；调速；

引 言：无刷直流电动机是多年快速兴起一个新型电机，它广泛应用和工业，农业，和军事等领域。 无刷直流电动机系统既保持了直流电动机良好调速控制特征，由含有寿命长、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机械接触。它应用将越来越广。

1无刷直流电动机发展和研究情况
无刷直流电动机是多年来伴随电子技术快速发展而发展起来一个新型直流电动机。传统直流电动机存在换向器，所以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、寿命短等致命缺点，但直流电动机调速性能好，起动性能好，故在调速性能要求高场所，可用直流电动机。伴随电子技术快速发展和高能永磁材料出现，能使直流电动机做得和交流电动机一样结构简单，耐用，而又含有良好性能。它是现代工业设备、现代科学技术和军事装备中关键机电元件之一。无刷直流电动机是以法拉第电磁感应定律为基础，而又以新兴电子技术、数字电子技术和多种物理原理为后盾。所以它含有很强生命力。

1.1无刷直流电动机发展和特点

研究和分析微特电机应用和发展，大家肯定会得出这么见解和结论：无刷直流电动机将会连续现在快速发展势头，并将在要求高性能应用领域中逐步替换其它类型电机，占主导地位。
因为无刷直流电动机保持着有刷直流电动机优良控制特征,在电磁结构上和有刷直流电动机一样,但它电枢绕组放在定子上,转子上放永久磁钢。无刷直流电动机电枢绕组相交流电机绕组一样,采取多相形式,经由驱动器接到直流电源上,定子采取位置传感器实现电子换向替换有刷电机电刷和换向器,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,无刷直流电动机因为革除了电滑动接触机构,所以消除了故障关键根源。因为转子上没有绕组,所以就没有电损耗。又因为主磁场是恒定,所以铁损也是极小(在方波电流驱动时,电枢磁势轴线是脉动,会在转子铁心内产生一定铁损)。总来说,除了轴承旋转产生摩擦损耗外,转子损耗很小,所以深入增加了工作可靠性。
伴随电子技术进步,电子工业发展,电子元器件价格不停下降。考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗等)以后,无刷直流电机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含有显著优势。近几年,伴随稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比不停提升,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应用越来越广泛。

1.2无刷直流电动机研究和开发进展
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,所以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。现代无刷直流电动机,其结构实际上是1台永磁式步进电动机(一个永磁式同时电动机)。其转子是由永久磁铁组成,定子上存在着多相绕组,图1所表示是常见三相无刷电机结构系统示意图。

图1.1 无刷电机结构系统
除此之外,有些人已经开发研制了高性能五相直流无刷电机,高性能价格比两相无刷直流电动机。它们使用全部是直流电源,经过图1所表示闭环控制线路,将直流电源根据给定次序轮番地接通各相绕组,使无刷电动机达成给定运行特征。可见,无刷直流电动机就其基础结构系统而言,关键包含永磁电动机本体、控制电路和位置传感器三部分组成,其原理方框图图2所表示。由此可见,无刷直流电动机性能价格比关键由上述三部分决定。

图1.2 无刷直流电动机结构原理框图
永磁电动机本体性能价格比关键由所选择永磁材料本身性能价格比和无刷电动机磁路结构设计和工艺合理性决定。

1.3 无刷直流电动机在工业中应用
现在在工业优异国家里,工业自动化领域中有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电动机所替换。现在从国外进口设备中,已经极少看到以有刷直流电动机作为实施电动机系统了。这些国家相关企业(如美国、英国、日本、德国等)已经不再大量生产伺服驱动用有刷直流电动机了。
在通常工业驱动应用领域,不管电机设计还是系统设计,提升效率节省能量全部应该被放在关键位置。据报道,美国55%以上电力是消耗在电动机运行上,所以提升电动机效率,很有意义。在全部类型电机中,无刷直流电动机损耗最小、效率最高。有资料做过对比分析, 对于7.5kW异步电机系统效率可达86.4%,不过一样容量无刷直流电动机效率可达92.4%。[6]
伴随电子技术进步,电子工业发展,电子元器件价格不停下降。考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗等)以后,无刷直流电机应用正处上升趋势。无刷直流电动机在工业中应用也越来越广,应用关键表现在以下多个方面：

1.4 无刷直流电动机发展趋势

无刷直流电动机是一个机电一体化产品,除了传统电机本体外,还必需带有传感器,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。一样,电子技术和电子元件发展又深入推进无刷直流电动机发展。

1.4.1 性能改善和新品种开发
无刷直流电动机中,应该深入改善问题中首先是转矩脉动,尤其是用于视听设备、电影机械、计算机中无刷直流电动机,更要求运行平稳、没有噪声。在这些应用场所中电动机,大多为小功率、小尺寸电动机,尺寸紧凑,改动更为困难。为了改善性能,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,选择适宜极对数和槽数和适宜槽口尺寸。
为了满足多种要求,也在不停开发多种类型无刷直流电动机。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,含有两个轴向气隙,在小容量情况下,这种电机轻易做到低噪声、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,新品种中还包含: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，有刷直流电动机含有旋转电枢和固定磁场。所以，有刷直流电动机必需有一个滑动接触机构——电刷和换向器，经过它们把电流馈给旋转着电枢。无刷直流电动机却和前者刚好相反，它含有旋转磁场和固定电枢。这么，电子换向线路中功率开关元件，如晶体管或可控硅等直接和电枢绕组连接。电动机内还装有一个位置传感器，它和电子换向线路一起替换了有刷直流电动机机械换向装置。
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组成，是一个经典机电一体化产品。
2.1.1 电动机本体
电动机本体关键是有主定子和主转子组成. 主定子是电动机本体静止部分。主转子是电动机本体转动部分，是产生激磁磁场部件。电动机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同。电动机转子由钕铁硼永磁材料组成。在定转子形成气隙中产生N-S极相间方波磁场，所以也把这种电动机称为“方波电动机”。为了使电动机绕组正确换向，在电动机内装有位置传感器，作为转子极性位置信号。
2.1.2 位置传感器
检测主转子位置位置传感器是实现无接触换向一个极其关键一个组成部件，所以，它是无刷直流电动机一个关键部分。
现在在无刷直流电动机中常见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。接触式传感器出现较早，它结构简单，紧凑，用于比较简单场所。它和有刷直流电动机相比较，无疑是一个创新，因它把有刷直流电动机大电流直接接触（电源经过电刷、换向器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。不过，这种结构仍然存在机械接触，当电动机连续工作几千小时后，传感器闭合次数十分频繁，可高达109次之多。这显然比触头所许可闭合次数大好多个数量级。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取。
无接触式位置传感器则能填补上述不足。所以此次毕业设计则采取霍尔位置传感器来检测主转子位置。

2.1.3 电子换向电路

电子换向电路和位置传感器相配合，起到和机械换向器类似作用，所以，电子换向电路也好似无刷直流电动机实现无刷接触换向一个关键组成部分。
电子换向电路任务是将位置传感器输出信号进行解调，预放大，功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定逻辑程序馈电，确保电动机可靠运行。

2.2 无刷直流电动机原理和运行特征
无刷直流电动机是在有刷直流电动机基础上发展起来，所以设计无刷直流电动机时首先必需了解其工作原理，了解其换向，换流过程和定子、转子设计和位置传感器选择，这对和设计无刷直流电动机有着极为关键意义，下面将对以上内容做具体分析。

2.2.1 无刷直流电动机工作原理

通常所说直流电动机是指含有换向器和电刷直流电动机。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,电枢电流和主磁场相互作用产生转矩,带动负载。然而因为电刷和换向器存在,结果产生了一系列致命弱点:
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优良性能基础上,为去除电刷和换向器而研究开发。因为无刷直流电动机没有电刷和换向器,它绕组里电流通、断是经过电子换向电路及功率放大器实现。要在电动机中产生恒定方向电磁转矩,就应使电枢电流随磁场位置改变图随无刷直线电动机原理示意图而改变。为实现这一点,就需要确定磁极和绕组之间相对位置信息。通常采取位置传感器来完成,由位置传感器将转子磁极位置信号转换成电信号,然后去驱动功率器件,控制对应绕组电流通、断。和有刷直流电动机不一样,无刷直流电动机永久磁钢磁极安放在转子上,而电枢绕组安装在定子上。位置传感器也有对应两部分,转动部分和电动机本体中转子同轴连接(转动部分通常由电机转子替换),固定部分和定子相连。

2.2.2 运行特征分析

无刷直流电动机是伴随电子技术快速发展而出现一个新型电机。传统直流电动机存在换向器，所以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、寿命短等致命缺点，但直流电动机调速性能好，起动性能好，控制性能好，故在调速性能要求高场所，可用直流电动机。伴随电子技术快速发展和高能永磁材料出现，能使直流电动机做得和交流电动机一样结构简单，耐用，而又含有良好性能。
无刷直流电动机运行特征是指电动机在起动、正常工作和调速等情况下，电动机外部分可测物理量之间关系。电动机是一个输入电功率、输出机械功率原动机械。所以我们最关心是它转距、转速，和转距和转速随输入电压、电流、负载改变而改变规律，据此，电动机运行特征可分为：起动特征、工作特征、机械特征和调速特征。

3无刷直流电机驱动器基础功效

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换向作用，是产品设计中一个至关关键问题。要实现无刷直流电动机定子绕组在转子磁钢不一样位置时逐相次序通电，就必需用转子位置信号来控制和定子绕组串联功率开关元件导通次序．我们采取磁钢和开关型霍尔元件作为位置传感器．
一套了良好无刷直流电动机电子线路必需满足工作稳定可靠，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电子线路出发点。一台完整无刷直流电动机是由电动机本体、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 电流换向功效

换向功效关键由位置传感器、逻辑电路及功放电路共同完成。位置传感器将转子位置信号反馈到驱动器逻辑电路部分，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番供电，电机就按一定方向旋转起来。这些就是无刷直流电机原理基础构架。它是驱动器关键部分。驱动器一切其它功效全部是围绕它进行设计。

3.2 调速功效
该功效是无刷直流电机驱动器附加功效，但确是极其关键功效。
有刷直流电机调速有两种方法，一个方法是调整电机激磁电流，在它激直流电机中可采取该方法。但在永磁直流电机中这种方法就不行。另一个方法是调整电机供电电压，这是通用方法，现在直流电机调速器全部是采取这种方法，无刷直流电机也不例外，它是经过驱动器来实现。

3.3 驱动电路工作原理
驱动线路工作原理是：位置传感器跟踪转子和电动机转轴相联接．接收电动机转子磁钢位置信号，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、判定，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改变而按一定次序换相(流)．从而驱动电动机不停按一定方向运转．

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。辅助工含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在压装时铜套必需放垂直，倒角面大向下，不然将挤裂铜套孔外壁；
2卡簧钳夹装卡簧时开口不易过大，卡簧无变形。
3开关轴和摇臂D型面必需对齐，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。辅助工含有卡簧钳。

４.2.１组装摇臂步骤

图4.2
1将已经压装到摇臂开关轴涂取适量黄油装入轴套孔内；
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需轻顺滑动；
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，开关轴和铜套轴
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、限位调整螺栓一个、 弹簧挂钩螺钉一个、拉簧一个。辅助工含有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装人开关盒销孔内,然后套上限位弹簧②；
2将螺母③锁进调整螺栓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，限位弹簧必需套上销柱；
2限位调整螺栓端面和开关盒端面距离为9mm为止再锁紧螺母；

3锁紧螺栓，避免滑丝;
4注意弹簧方向，先入螺钉槽再入摇臂槽。

自检内容：
1、限位销必需能上、下轻顺滑动；
2、拉簧两端是否全部入槽，能作用于摇臂,拉簧弯钩不得触碰开关盒表面；