达松伐尔型永磁直流电动机因效率高、体积小、无刷、无位置传感器等优点而被广泛应用于家用电器、仪器仪表等产品。本文设计一种用于挠性陀螺仪的外转子、内定子小功率达松伐尔型永磁直流电动机，在给出其机械结构型式的基础上，讨论其电磁结构参数的设计计算方法。

　　电机设计需要反复修改设计参数和核算性能指标，采用计算机辅助设计（CAD）能大大简化设计过程。

　　电机的机械结构和电磁结构参数，核算技术指标，生成工作待性曲线，输出装配图，从而加快了设计速度，提高了设计质量。

　　借助于直流电机调速方便的优点，作者通过基准频率微调实现了挠性陀螺仪的电调谐，利用速度反馈和脉竟调制技术实现了陀螺仪转速的闭环控制。针对该型电机启动困难的弱点，设计了启动检测和自动复位电路，实现了对启动过程的闭环控制。

　　2结构设计达松伐尔型永磁直流电动机的主要特征是永磁体安装在转子上，电枢绕组粘贴在非金属陶瓷骨架上构成定子，其结构如1所示。

　　转子是产生激磁磁场的部件，由永磁体、导磁体和支承零部件组成。转子体的设计要求是风阻小、刚性好。材料选择应保证其具有足够的强度，膨胀系数小，稳定性好。

　　永磁体是产生激磁磁场的核心，考虑到转子动平衡精度的要求高，用整体环较好。但目前用稀土永磁材料制成的整体环充磁难度大，因此采用由多块永磁材料均布在转子上组成的拼块式结构。永磁材料采用高磁能积的稀土钴R2Con，磁性能稳定性好。

　　导磁体在电机中形成必要的磁路，如1中所示的内外导磁环3、1，材料取150铁镍合金。

　　支承零部件主要指转子外缘、轴、轴承、压圈、锁紧螺母等。转子外缘用于固定永磁体和导磁体，空心杯结构有利于保护永磁体不被高速旋转的离心力破坏。压圈和锁紧螺母对轴承产生一定的轴向预紧力，并将转子体紧固在轴上。

　　定子由电枢绕组和陶瓷骨架组成。无铁芯电枢绕组采用集中绕组牢固地粘贴在非金属陶瓷骨架的外圆表面，它是电机本体中将电能转换为机械能的*重要的部件。陶瓷骨架既不导磁，也不会因磁场变化产生涡流，引起功率损耗和阻力矩。

　　1所示的达松伐尔型永磁直流陀螺电机具有以下主要特点：无刷。没有换相器和电刷组成的机械接触装置，所以没有换相火花，无干扰和污染，寿命长，可靠性好，同时调速方便。

　　无位置传感器。利用产生转矩的无铁芯电枢绕组兼作转子位置传感器，采用反电势换相，简化了电机结构。

　　效率高。转子为永磁体，无激磁损耗；定子无铁芯，无磁滞耗损和涡流耗损，仅存在定子绕组的铜耗，电机的电磁功率几乎全部用于克服轴承的摩擦力矩和转子的风阻力矩。

　　转速波动小。无铁芯电枢的导体位于工作气隙中，消除了由于齿槽效应引起的转矩波动；同时，外转子结构增大了转子的转动惯量，平滑了转矩波动引起的转速波动。

　　3电磁设计3.1磁路参数设计对采用整距集中电枢绕组的永磁直流电动机，其电枢直径（呤、电枢长度4（n）和电动机的电磁功率圪（W与电负荷」（A/n）、磁负荷（！）之间存在如下的关系：62中国惯性技术学报2001年=Za/）；为弧系数，其取值按电机气隙径向磁场沿圆周方向的分布为顶竟120电角度的梯形考虑。

　　由于电枢无铁芯，散热条件差，同时绕组的铜耗是电机的主要损耗，为提高效率，降低温升，电负荷A要比常用微电机的取值小，这里在10002000A/n之间选取。无铁芯电枢无刷直流电动机的磁负荷较常用微电机高，以便提高其性能指标并减小体积，常在015Q6T左石。它无定子齿槽，相对可以提高工作气隙磁密。由于陀螺仪结构的限制，达松伐尔型永磁直流陀螺电机的长径比较小，在1/3 1/2之间取值。结合电机功率与转速，即可初选电枢尺寸Da和Za.径向磁化的多极结构其外磁路包括工作气隙和内外导磁环，三者厚度均在L5nmi左石预取值，外磁路结构参数便确定。在此基础上，对任一气隙磁密均可求得气隙磁通、气隙磁压降和内外导磁环磁密，结合导磁环的磁化待性曲线，可进一步求得内外导磁环磁压降和4%.取一组气隙磁密55值，即可作出空载特性曲线=/（4% =/（4%+4%+4%），如中曲线2所示。

　　同理，对于永久磁钢，任取一磁感应强度，由其fi-H特性曲线可得相应的磁场强度。根据磁钢尺寸和漏磁系数，可得到磁钢发出的磁通（并转换为气隙磁通）和磁钢的磁势4.取一组磁钢磁感应强度值，可作出磁钢去磁曲线=g（4Wm），如中曲线1所示。

　　空载特性曲线与去磁曲线的交点即为磁钢的空载工作点。对于达松伐尔型永磁直流电动机，因电负荷取得很小，其直轴去磁作用影响不大，可以将空载工作点近似作为负载时的工作点。

　　由工作点的气隙磁通求得磁钢磁感应强度，据此校核其是否工作于*佳工作点；由工作点的气隙磁通亦可求得内外导磁环磁密，从而校核其是否工作于磁化曲线的非饱和段。若工作点位置不恰当，则需调整有关初选参数，重新设计计算直至满意。3.2绕组主要参数设计磁路结构和参数确定后，按照三相Y形连接、并联支路数为1的整距集中绕组计算电枢绕组参数，相电流波形取顶竟为120°的矩形。

　　电枢绕组每相匝数（匝）电枢绕组每相电阻（75C时）（0）电枢绕组每相导线总长度（n）平均半匝长：Lp电阻系数由每4绕组电阻4（7S C时）和每相总长度Zw，求得lS°CBif的电阻系数（/m）：根据选择宣径，并得到实际电阻率和截面积。

　　3.2核算主要技术指标①额定工作时每相绕组平均电流/-（今③效率②额定工作时平均电磁转矩Mcp（N呦及输出功率尸2（W 4永磁直流电机的CAD电机设计是预选参数一一设计计算―一校核指标过程的不断反复，其中包括大量的计算、查表、绘圄等烦琐工作，利用计算机辅助设计可以大大提高设计效率和质量，减轻设计人员工作量。达松伐尔型永磁宣流电机的卿欠件应采用菜单化结构以适应电机设计层次化的特点；将常用的表格、曲线等以数据库的形式分类保存；用户界面应具有图形辅助功能和联机帮助能力，宣观地显示有关圄形曲线并指导用户的设计进程，以方便用户操作。

　　根据上述设计思想，采用C+4Builder和AtoLISP语言研制了电机OC欠件，通as复的人机交互和不断调整各初选参数，调整和折衷电机的各项性能指标，以达到电机总体性能的*优。

　　*后用数据文件与AtoOCg口，实现电机结构电机工作特性曲线图的自动绘制（U圄3为该软件输出的电机工作特性曲线。

　　5达松伐尔型永磁直流电机的驱动与控制达松伐尔型永磁直流电动机由于无位置传感器，定子绕组的电子换相必须依赖于其自身的反电势信号。在启动初期，反电势尚未形成或者很弱，不能成为换相基准，导致启动困难，这是这类电机驱动与控制电路需要解决的基本问题。同时，对于电机转速，一方面，挠性陀螺仪要求其高度稳定；另一方面，为避免机械调谐带来的结构复杂、可靠性和长期性能稳定性降低等弊端，又要求其能在一定范围内微调。

　　5.1电路组成为驱动控制电路的组成框图。

　　频率设定电路根据所要求的电机转速输出频率高度稳定的脉冲信号作为电机速度脉冲的基准，其频率稳定度同晶体振荡器。该电路还允许频率微调，以微调电机转速，实现陀螺仪的电调谐。

　　锁相环保证电机速度脉冲频率与设定频率相同。对于频率来说，锁相环为一无差系统，理论上能使电机的速度稳定度达到晶体振荡器的频率稳定度。

　　电子换相电路按照电机转动方向所对应的相序依次给出各相加电脉冲，其竟度决定了馈给电机的电功率，它取决于频率设定电路输出脉冲和电机速度脉冲之间的相位差。

　　功放电路用于提高和放大加至电机的电压和电流，使电机获得一定的电功率。

　　通过反电势检测可以确定电机电枢绕组与转子磁钢磁极的相对位置，从而决定通电绕组和通电方向，保证电机按照预定的方向旋转。反电势检测电路替代了一般直流无刷电机中的位置传感器，简化了电机结构。

　　由于电机转子磁极对数和定子绕组元件数一定，电枢绕组反电势的频率严格地反映了电机转速。速度脉冲形成电路将各相绕组的反电势脉冲倍频并相或，不仅获得了电机的实际转速，而且提高了测速精度，有利于提高电机的转速稳定性。速度脉冲一方面作为速度反馈送至锁相环实现速度闭环控制，另一方面经变换供启动电路监视启动过程。

　　5.2无位置传感器无刷直流电机的自启动转速检测电路将电机转速脉冲实时变换为幅值与其频率对应的电压信号，在电机启动期间供启动电路监视电机的实际启动过程。

　　启动电路是实现电机自启动的关键，其工作受时序逻辑控制，工作过程分为三步：上电初期，启动电路随机给出一加电相序（但必为可能的六相序之一），在电磁力的作用下，转子磁极与定子绕组的相对位置即确定；转子位置被已知相序确定后，启动电路按电机所需的转动方向依次给出初始相序后的各相序，转子被牵引由初始位置按预定方向转动。启动电路逐步提高换相频率，转子转速随之提高，相应地定子绕组反电势形成；转子被牵引加速转动一定时间间隔后，反电势达到或超过某一预定阈值，控制逻辑切断启动电路与换相电路的联系，启动过程由速度闭环控制回路继续芫成。

　　此时电机实际转速与设定转速相差很大，驱动电路几乎输出满功率，电机迅速加速，随着转速上升，驱动电路输出的电功率下降，电机加速度减小，而速度逐步逼近设定值，其动态待注由速度闭环回路决定，启动过程顺利芫成；若电机因某种原因未启动或启动过慢，反电势未能在规定时间内达到预定阈值，则控制逻辑复位启动电路，启动过程重新开始。这种带有智能判别能力的闭环检测启动电路有效解决了这种电机的启动问题。

　　启动控制电路决定一些关键参数，如定相加电的时间间隔、变频牵引的频率起点和频率变化规律、变频牵引持续的时间、反电势判别阈值等，它们与速度控制回路的电路结构和参数、定子绕组的连接方式和参数、尤其是轴承静摩擦和电机转子及负载转动惯量有关，需要在调试过程中通过大量的试验确定。

　　同时也应当保证这些参数具有相当的适应性，避免需要针对同一种电机的不同个体加以再调整。

　　6结束语使用本文的设计方法、步骤和CAD软件设计的达松伐尔型永磁直流电机已应用于某高精度平台挠性陀螺仪，电机效率和转速稳定性、陀螺仪内部温升和逐次漂移重复性等指标较以往所用磁滞电机及其陀螺仪的指标均有所提高；电机转速的调节和微调不仅使陀螺仪具备了电调谐能力，而且可避免平台上的两只陀螺仪发生同频共振，有利于系统调整和性能改善。同时研制的驱动与控制电路与挠性陀螺仪一起进行的寿命试验已超过一万五干小时，尚未发生任何故障，目前已按军标二次集成为模块，使该陀螺仪的使用更为方便，系统也更为简洁、可靠。