達(dá)松伐爾型永磁直流電動(dòng)機(jī)因效率高、體積小、無(wú)刷、無(wú)位置傳感器等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于家用電器、儀器儀表等產(chǎn)品。本文設(shè)計(jì)一種用于撓性陀螺儀的外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子小功率達(dá)松伐爾型永磁直流電動(dòng)機(jī)，在給出其機(jī)械結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上，討論其電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。
電機(jī)設(shè)計(jì)需要反復(fù)修改設(shè)計(jì)參數(shù)和核算性能指標(biāo)，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（cad）能大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。
電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)，核算技術(shù)指標(biāo)，生成工作待性曲線，輸出裝配圖，從而加快了設(shè)計(jì)速度，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。
借助于直流電機(jī)調(diào)速方便的優(yōu)點(diǎn)，作者通過(guò)基準(zhǔn)頻率微調(diào)實(shí)現(xiàn)了撓性陀螺儀的電調(diào)諧，利用速度反饋和脈竟調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了陀螺儀轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。針對(duì)該型電機(jī)啟動(dòng)困難的弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)了啟動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)復(fù)位電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)啟動(dòng)過(guò)程的閉環(huán)控制。
2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)松伐爾型永磁直流電動(dòng)機(jī)的主要特征是永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組粘貼在非金屬陶瓷骨架上構(gòu)成定子，其結(jié)構(gòu)如1所示。
轉(zhuǎn)子是產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)的部件，由永磁體、導(dǎo)磁體和支承零部件組成。轉(zhuǎn)子體的設(shè)計(jì)要求是風(fēng)阻小、剛性好。材料選擇應(yīng)保證其具有足夠的強(qiáng)度，膨脹系數(shù)小，穩(wěn)定性好。
永磁體是產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)的核心，考慮到轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度的要求高，用整體環(huán)較好。但目前用稀土永磁材料制成的整體環(huán)充磁難度大，因此采用由多塊永磁材料均布在轉(zhuǎn)子上組成的拼塊式結(jié)構(gòu)。永磁材料采用高磁能積的稀土鈷r2con，磁性能穩(wěn)定性好。
導(dǎo)磁體在電機(jī)中形成必要的磁路，如1中所示的內(nèi)外導(dǎo)磁環(huán)3、1，材料取150鐵鎳合金。
支承零部件主要指轉(zhuǎn)子外緣、軸、軸承、壓圈、鎖緊螺母等。轉(zhuǎn)子外緣用于固定永磁體和導(dǎo)磁體，空心杯結(jié)構(gòu)有利于保護(hù)永磁體不被高速旋轉(zhuǎn)的離心力破壞。壓圈和鎖緊螺母對(duì)軸承產(chǎn)生一定的軸向預(yù)緊力，并將轉(zhuǎn)子體緊固在軸上。
定子由電樞繞組和陶瓷骨架組成。無(wú)鐵芯電樞繞組采用集中繞組牢固地粘貼在非金屬陶瓷骨架的外圓表面，它是電機(jī)本體中將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的最重要的部件。陶瓷骨架既不導(dǎo)磁，也不會(huì)因磁場(chǎng)變化產(chǎn)生渦流，引起功率損耗和阻力矩。
1所示的達(dá)松伐爾型永磁直流陀螺電機(jī)具有以下主要特點(diǎn)：無(wú)刷。沒(méi)有換相器和電刷組成的機(jī)械接觸裝置，所以沒(méi)有換相火花，無(wú)干擾和污染，壽命長(zhǎng)，可靠性好，同時(shí)調(diào)速方便。
無(wú)位置傳感器。利用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的無(wú)鐵芯電樞繞組兼作轉(zhuǎn)子位置傳感器，采用反電勢(shì)換相，簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)。
效率高。轉(zhuǎn)子為永磁體，無(wú)激磁損耗；定子無(wú)鐵芯，無(wú)磁滯耗損和渦流耗損，僅存在定子繞組的銅耗，電機(jī)的電磁功率幾乎全部用于克服軸承的摩擦力矩和轉(zhuǎn)子的風(fēng)阻力矩。
轉(zhuǎn)速波動(dòng)小。無(wú)鐵芯電樞的導(dǎo)體位于工作氣隙中，消除了由于齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；同時(shí)，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)增大了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，平滑了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。
3電磁設(shè)計(jì)3.1磁路參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)采用整距集中電樞繞組的永磁直流電動(dòng)機(jī)，其電樞直徑（呤、電樞長(zhǎng)度4（n）和電動(dòng)機(jī)的電磁功率圪（w與電負(fù)荷」（a/n）、磁負(fù)荷（?。┲g存在如下的關(guān)系：62中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)2001年=za/）；為弧系數(shù)，其取值按電機(jī)氣隙徑向磁場(chǎng)沿圓周方向的分布為頂竟120電角度的梯形考慮。
由于電樞無(wú)鐵芯，散熱條件差，同時(shí)繞組的銅耗是電機(jī)的主要損耗，為提高效率，降低溫升，電負(fù)荷a要比常用微電機(jī)的取值小，這里在10002000a/n之間選取。無(wú)鐵芯電樞無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的磁負(fù)荷較常用微電機(jī)高，以便提高其性能指標(biāo)并減小體積，常在015q6t左石。它無(wú)定子齒槽，相對(duì)可以提高工作氣隙磁密。由于陀螺儀結(jié)構(gòu)的限制，達(dá)松伐爾型永磁直流陀螺電機(jī)的長(zhǎng)徑比較小，在1/3 1/2之間取值。結(jié)合電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速，即可初選電樞尺寸da和za.徑向磁化的多極結(jié)構(gòu)其外磁路包括工作氣隙和內(nèi)外導(dǎo)磁環(huán)，三者厚度均在l5nmi左石預(yù)取值，外磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)便確定。在此基礎(chǔ)上，對(duì)任一氣隙磁密均可求得氣隙磁通、氣隙磁壓降和內(nèi)外導(dǎo)磁環(huán)磁密，結(jié)合導(dǎo)磁環(huán)的磁化待性曲線，可進(jìn)一步求得內(nèi)外導(dǎo)磁環(huán)磁壓降和4%.取一組氣隙磁密55值，即可作出空載特性曲線=/（4% =/（4%+4%+4%），如中曲線2所示。
同理，對(duì)于永久磁鋼，任取一磁感應(yīng)強(qiáng)度，由其fi-h特性曲線可得相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)磁鋼尺寸和漏磁系數(shù)，可得到磁鋼發(fā)出的磁通（并轉(zhuǎn)換為氣隙磁通）和磁鋼的磁勢(shì)4.取一組磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度值，可作出磁鋼去磁曲線=g（4wm），如中曲線1所示。
空載特性曲線與去磁曲線的交點(diǎn)即為磁鋼的空載工作點(diǎn)。對(duì)于達(dá)松伐爾型永磁直流電動(dòng)機(jī)，因電負(fù)荷取得很小，其直軸去磁作用影響不大，可以將空載工作點(diǎn)近似作為負(fù)載時(shí)的工作點(diǎn)。
由工作點(diǎn)的氣隙磁通求得磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度，據(jù)此校核其是否工作于最佳工作點(diǎn)；由工作點(diǎn)的氣隙磁通亦可求得內(nèi)外導(dǎo)磁環(huán)磁密，從而校核其是否工作于磁化曲線的非飽和段。若工作點(diǎn)位置不恰當(dāng)，則需調(diào)整有關(guān)初選參數(shù)，重新設(shè)計(jì)計(jì)算直至滿意。3.2繞組主要參數(shù)設(shè)計(jì)磁路結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定后，按照三相y形連接、并聯(lián)支路數(shù)為1的整距集中繞組計(jì)算電樞繞組參數(shù)，相電流波形取頂竟為120°的矩形。
電樞繞組每相匝數(shù)（匝）電樞繞組每相電阻（75c時(shí)）（0）電樞繞組每相導(dǎo)線總長(zhǎng)度（n）平均半匝長(zhǎng)：lp電阻系數(shù)由每4繞組電阻4（7s c時(shí)）和每相總長(zhǎng)度zw，求得ls°cbif的電阻系數(shù)（/m）：根據(jù)選擇宣徑，并得到實(shí)際電阻率和截面積。
3.2核算主要技術(shù)指標(biāo)①額定工作時(shí)每相繞組平均電流/-（今③效率②額定工作時(shí)平均電磁轉(zhuǎn)矩mcp（n呦及輸出功率尸2（w 4永磁直流電機(jī)的cad電機(jī)設(shè)計(jì)是預(yù)選參數(shù)一一設(shè)計(jì)計(jì)算―一校核指標(biāo)過(guò)程的不斷反復(fù)，其中包括大量的計(jì)算、查表、繪圄等煩瑣工作，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以大大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，減輕設(shè)計(jì)人員工作量。達(dá)松伐爾型永磁宣流電機(jī)的卿欠件應(yīng)采用菜單化結(jié)構(gòu)以適應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)層次化的特點(diǎn)；將常用的表格、曲線等以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式分類保存；用戶界面應(yīng)具有圖形輔助功能和聯(lián)機(jī)幫助能力，宣觀地顯示有關(guān)圄形曲線并指導(dǎo)用戶的設(shè)計(jì)進(jìn)程，以方便用戶操作。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，采用c+4builder和atolisp語(yǔ)言研制了電機(jī)oc欠件，通as復(fù)的人機(jī)交互和不斷調(diào)整各初選參數(shù)，調(diào)整和折衷電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，以達(dá)到電機(jī)總體性能的最優(yōu)。
最后用數(shù)據(jù)文件與atoocg口，實(shí)現(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)電機(jī)工作特性曲線圖的自動(dòng)繪制（u圄3為該軟件輸出的電機(jī)工作特性曲線。
5達(dá)松伐爾型永磁直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制達(dá)松伐爾型永磁直流電動(dòng)機(jī)由于無(wú)位置傳感器，定子繞組的電子換相必須依賴于其自身的反電勢(shì)信號(hào)。在啟動(dòng)初期，反電勢(shì)尚未形成或者很弱，不能成為換相基準(zhǔn)，導(dǎo)致啟動(dòng)困難，這是這類電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制電路需要解決的基本問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速，一方面，撓性陀螺儀要求其高度穩(wěn)定；另一方面，為避免機(jī)械調(diào)諧帶來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性和長(zhǎng)期性能穩(wěn)定性降低等弊端，又要求其能在一定范圍內(nèi)微調(diào)。
5.1電路組成為驅(qū)動(dòng)控制電路的組成框圖。
頻率設(shè)定電路根據(jù)所要求的電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出頻率高度穩(wěn)定的脈沖信號(hào)作為電機(jī)速度脈沖的基準(zhǔn)，其頻率穩(wěn)定度同晶體振蕩器。該電路還允許頻率微調(diào)，以微調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的電調(diào)諧。
鎖相環(huán)保證電機(jī)速度脈沖頻率與設(shè)定頻率相同。對(duì)于頻率來(lái)說(shuō)，鎖相環(huán)為一無(wú)差系統(tǒng)，理論上能使電機(jī)的速度穩(wěn)定度達(dá)到晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。
電子換相電路按照電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向所對(duì)應(yīng)的相序依次給出各相加電脈沖，其竟度決定了饋給電機(jī)的電功率，它取決于頻率設(shè)定電路輸出脈沖和電機(jī)速度脈沖之間的相位差。
功放電路用于提高和放大加至電機(jī)的電壓和電流，使電機(jī)獲得一定的電功率。
通過(guò)反電勢(shì)檢測(cè)可以確定電機(jī)電樞繞組與轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的相對(duì)位置，從而決定通電繞組和通電方向，保證電機(jī)按照預(yù)定的方向旋轉(zhuǎn)。反電勢(shì)檢測(cè)電路替代了一般直流無(wú)刷電機(jī)中的位置傳感器，簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)。
由于電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)和定子繞組元件數(shù)一定，電樞繞組反電勢(shì)的頻率嚴(yán)格地反映了電機(jī)轉(zhuǎn)速。速度脈沖形成電路將各相繞組的反電勢(shì)脈沖倍頻并相或，不僅獲得了電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，而且提高了測(cè)速精度，有利于提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。速度脈沖一方面作為速度反饋送至鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，另一方面經(jīng)變換供啟動(dòng)電路監(jiān)視啟動(dòng)過(guò)程。
5.2無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的自啟動(dòng)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路將電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖實(shí)時(shí)變換為幅值與其頻率對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，在電機(jī)啟動(dòng)期間供啟動(dòng)電路監(jiān)視電機(jī)的實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程。
啟動(dòng)電路是實(shí)現(xiàn)電機(jī)自啟動(dòng)的關(guān)鍵，其工作受時(shí)序邏輯控制，工作過(guò)程分為三步：上電初期，啟動(dòng)電路隨機(jī)給出一加電相序（但必為可能的六相序之一），在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子磁極與定子繞組的相對(duì)位置即確定；轉(zhuǎn)子位置被已知相序確定后，啟動(dòng)電路按電機(jī)所需的轉(zhuǎn)動(dòng)方向依次給出初始相序后的各相序，轉(zhuǎn)子被牽引由初始位置按預(yù)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。啟動(dòng)電路逐步提高換相頻率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之提高，相應(yīng)地定子繞組反電勢(shì)形成；轉(zhuǎn)子被牽引加速轉(zhuǎn)動(dòng)一定時(shí)間間隔后，反電勢(shì)達(dá)到或超過(guò)某一預(yù)定閾值，控制邏輯切斷啟動(dòng)電路與換相電路的聯(lián)系，啟動(dòng)過(guò)程由速度閉環(huán)控制回路繼續(xù)芫成。
此時(shí)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相差很大，驅(qū)動(dòng)電路幾乎輸出滿功率，電機(jī)迅速加速，隨著轉(zhuǎn)速上升，驅(qū)動(dòng)電路輸出的電功率下降，電機(jī)加速度減小，而速度逐步逼近設(shè)定值，其動(dòng)態(tài)待注由速度閉環(huán)回路決定，啟動(dòng)過(guò)程順利芫成；若電機(jī)因某種原因未啟動(dòng)或啟動(dòng)過(guò)慢，反電勢(shì)未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定閾值，則控制邏輯復(fù)位啟動(dòng)電路，啟動(dòng)過(guò)程重新開(kāi)始。這種帶有智能判別能力的閉環(huán)檢測(cè)啟動(dòng)電路有效解決了這種電機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題。
啟動(dòng)控制電路決定一些關(guān)鍵參數(shù)，如定相加電的時(shí)間間隔、變頻牽引的頻率起點(diǎn)和頻率變化規(guī)律、變頻牽引持續(xù)的時(shí)間、反電勢(shì)判別閾值等，它們與速度控制回路的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)、定子繞組的連接方式和參數(shù)、尤其是軸承靜摩擦和電機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)，需要在調(diào)試過(guò)程中通過(guò)大量的試驗(yàn)確定。
同時(shí)也應(yīng)當(dāng)保證這些參數(shù)具有相當(dāng)?shù)倪m應(yīng)性，避免需要針對(duì)同一種電機(jī)的不同個(gè)體加以再調(diào)整。
6結(jié)束語(yǔ)使用本文的設(shè)計(jì)方法、步驟和cad軟件設(shè)計(jì)的達(dá)松伐爾型永磁直流電機(jī)已應(yīng)用于某高精度平臺(tái)撓性陀螺儀，電機(jī)效率和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性、陀螺儀內(nèi)部溫升和逐次漂移重復(fù)性等指標(biāo)較以往所用磁滯電機(jī)及其陀螺儀的指標(biāo)均有所提高；電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和微調(diào)不僅使陀螺儀具備了電調(diào)諧能力，而且可避免平臺(tái)上的兩只陀螺儀發(fā)生同頻共振，有利于系統(tǒng)調(diào)整和性能改善。同時(shí)研制的驅(qū)動(dòng)與控制電路與撓性陀螺儀一起進(jìn)行的壽命試驗(yàn)已超過(guò)一萬(wàn)五干小時(shí)，尚未發(fā)生任何故障，目前已按軍標(biāo)二次集成為模塊，使該陀螺儀的使用更為方便，系統(tǒng)也更為簡(jiǎn)潔、可靠。
：洪玉蓮
：18918933859
：上海金橋高中壓閥門廠有限公司
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