達松伐爾型永磁直流電動機因效率高、體積小、無刷、無位置傳感器等優點而被廣泛應用于家用電器、儀器儀表等產品。本文設計一種用于撓性陀螺儀的外轉子、內定子小功率達松伐爾型永磁直流電動機，在給出其機械結構型式的基礎上，討論其電磁結構參數的設計計算方法。
電機設計需要反復修改設計參數和核算性能指標，采用計算機輔助設計（cad）能大大簡化設計過程。
電機的機械結構和電磁結構參數，核算技術指標，生成工作待性曲線，輸出裝配圖，從而加快了設計速度，提高了設計質量。
借助于直流電機調速方便的優點，作者通過基準頻率微調實現了撓性陀螺儀的電調諧，利用速度反饋和脈竟調制技術實現了陀螺儀轉速的閉環控制。針對該型電機啟動困難的弱點，設計了啟動檢測和自動復位電路，實現了對啟動過程的閉環控制。
2結構設計達松伐爾型永磁直流電動機的主要特征是永磁體安裝在轉子上，電樞繞組粘貼在非金屬陶瓷骨架上構成定子，其結構如1所示。
轉子是產生激磁磁場的部件，由永磁體、導磁體和支承零部件組成。轉子體的設計要求是風阻小、剛性好。材料選擇應保證其具有足夠的強度，膨脹系數小，穩定性好。
永磁體是產生激磁磁場的核心，考慮到轉子動平衡精度的要求高，用整體環較好。但目前用稀土永磁材料制成的整體環充磁難度大，因此采用由多塊永磁材料均布在轉子上組成的拼塊式結構。永磁材料采用高磁能積的稀土鈷r2con，磁性能穩定性好。
導磁體在電機中形成必要的磁路，如1中所示的內外導磁環3、1，材料取150鐵鎳合金。
支承零部件主要指轉子外緣、軸、軸承、壓圈、鎖緊螺母等。轉子外緣用于固定永磁體和導磁體，空心杯結構有利于保護永磁體不被高速旋轉的離心力破壞。壓圈和鎖緊螺母對軸承產生一定的軸向預緊力，并將轉子體緊固在軸上。
定子由電樞繞組和陶瓷骨架組成。無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，它是電機本體中將電能轉換為機械能的最重要的部件。陶瓷骨架既不導磁，也不會因磁場變化產生渦流，引起功率損耗和阻力矩。
1所示的達松伐爾型永磁直流陀螺電機具有以下主要特點：無刷。沒有換相器和電刷組成的機械接觸裝置，所以沒有換相火花，無干擾和污染，壽命長，可靠性好，同時調速方便。
無位置傳感器。利用產生轉矩的無鐵芯電樞繞組兼作轉子位置傳感器，采用反電勢換相，簡化了電機結構。
效率高。轉子為永磁體，無激磁損耗；定子無鐵芯，無磁滯耗損和渦流耗損，僅存在定子繞組的銅耗，電機的電磁功率幾乎全部用于克服軸承的摩擦力矩和轉子的風阻力矩。
轉速波動小。無鐵芯電樞的導體位于工作氣隙中，消除了由于齒槽效應引起的轉矩波動；同時，外轉子結構增大了轉子的轉動慣量，平滑了轉矩波動引起的轉速波動。
3電磁設計3.1磁路參數設計對采用整距集中電樞繞組的永磁直流電動機，其電樞直徑（呤、電樞長度4（n）和電動機的電磁功率圪（w與電負荷」（a/n）、磁負荷（！）之間存在如下的關系：62中國慣性技術學報2001年=za/）；為弧系數，其取值按電機氣隙徑向磁場沿圓周方向的分布為頂竟120電角度的梯形考慮。
由于電樞無鐵芯，散熱條件差，同時繞組的銅耗是電機的主要損耗，為提高效率，降低溫升，電負荷a要比常用微電機的取值小，這里在10002000a/n之間選取。無鐵芯電樞無刷直流電動機的磁負荷較常用微電機高，以便提高其性能指標并減小體積，常在015q6t左石。它無定子齒槽，相對可以提高工作氣隙磁密。由于陀螺儀結構的限制，達松伐爾型永磁直流陀螺電機的長徑比較小，在1/3 1/2之間取值。結合電機功率與轉速，即可初選電樞尺寸da和za.徑向磁化的多極結構其外磁路包括工作氣隙和內外導磁環，三者厚度均在l5nmi左石預取值，外磁路結構參數便確定。在此基礎上，對任一氣隙磁密均可求得氣隙磁通、氣隙磁壓降和內外導磁環磁密，結合導磁環的磁化待性曲線，可進一步求得內外導磁環磁壓降和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，對于永久磁鋼，任取一磁感應強度，由其fi-h特性曲線可得相應的磁場強度。根據磁鋼尺寸和漏磁系數，可得到磁鋼發出的磁通（并轉換為氣隙磁通）和磁鋼的磁勢4.取一組磁鋼磁感應強度值，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即為磁鋼的空載工作點。對于達松伐爾型永磁直流電動機，因電負荷取得很小，其直軸去磁作用影響不大，可以將空載工作點近似作為負載時的工作點。
由工作點的氣隙磁通求得磁鋼磁感應強度，據此校核其是否工作于最佳工作點；由工作點的氣隙磁通亦可求得內外導磁環磁密，從而校核其是否工作于磁化曲線的非飽和段。若工作點位置不恰當，則需調整有關初選參數，重新設計計算直至滿意。3.2繞組主要參數設計磁路結構和參數確定后，按照三相y形連接、并聯支路數為1的整距集中繞組計算電樞繞組參數，相電流波形取頂竟為120°的矩形。
電樞繞組每相匝數（匝）電樞繞組每相電阻（75c時）（0）電樞繞組每相導線總長度（n）平均半匝長：lp電阻系數由每4繞組電阻4（7s c時）和每相總長度zw，求得ls°cbif的電阻系數（/m）：根據選擇宣徑，并得到實際電阻率和截面積。
3.2核算主要技術指標①額定工作時每相繞組平均電流/-（今③效率②額定工作時平均電磁轉矩mcp（n呦及輸出功率尸2（w 4永磁直流電機的cad電機設計是預選參數一一設計計算―一校核指標過程的不斷反復，其中包括大量的計算、查表、繪圄等煩瑣工作，利用計算機輔助設計可以大大提高設計效率和質量，減輕設計人員工作量。達松伐爾型永磁宣流電機的卿欠件應采用菜單化結構以適應電機設計層次化的特點；將常用的表格、曲線等以數據庫的形式分類保存；用戶界面應具有圖形輔助功能和聯機幫助能力，宣觀地顯示有關圄形曲線并指導用戶的設計進程，以方便用戶操作。
根據上述設計思想，采用c+4builder和atolisp語言研制了電機oc欠件，通as復的人機交互和不斷調整各初選參數，調整和折衷電機的各項性能指標，以達到電機總體性能的最優。
最后用數據文件與atoocg口，實現電機結構電機工作特性曲線圖的自動繪制（u圄3為該軟件輸出的電機工作特性曲線。
5達松伐爾型永磁直流電機的驅動與控制達松伐爾型永磁直流電動機由于無位置傳感器，定子繞組的電子換相必須依賴于其自身的反電勢信號。在啟動初期，反電勢尚未形成或者很弱，不能成為換相基準，導致啟動困難，這是這類電機驅動與控制電路需要解決的基本問題。同時，對于電機轉速，一方面，撓性陀螺儀要求其高度穩定；另一方面，為避免機械調諧帶來的結構復雜、可靠性和長期性能穩定性降低等弊端，又要求其能在一定范圍內微調。
5.1電路組成為驅動控制電路的組成框圖。
頻率設定電路根據所要求的電機轉速輸出頻率高度穩定的脈沖信號作為電機速度脈沖的基準，其頻率穩定度同晶體振蕩器。該電路還允許頻率微調，以微調電機轉速，實現陀螺儀的電調諧。
鎖相環保證電機速度脈沖頻率與設定頻率相同。對于頻率來說，鎖相環為一無差系統，理論上能使電機的速度穩定度達到晶體振蕩器的頻率穩定度。
電子換相電路按照電機轉動方向所對應的相序依次給出各相加電脈沖，其竟度決定了饋給電機的電功率，它取決于頻率設定電路輸出脈沖和電機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的電壓和電流，使電機獲得一定的電功率。
通過反電勢檢測可以確定電機電樞繞組與轉子磁鋼磁極的相對位置，從而決定通電繞組和通電方向，保證電機按照預定的方向旋轉。反電勢檢測電路替代了一般直流無刷電機中的位置傳感器，簡化了電機結構。
由于電機轉子磁極對數和定子繞組元件數一定，電樞繞組反電勢的頻率嚴格地反映了電機轉速。速度脈沖形成電路將各相繞組的反電勢脈沖倍頻并相或，不僅獲得了電機的實際轉速，而且提高了測速精度，有利于提高電機的轉速穩定性。速度脈沖一方面作為速度反饋送至鎖相環實現速度閉環控制，另一方面經變換供啟動電路監視啟動過程。
5.2無位置傳感器無刷直流電機的自啟動轉速檢測電路將電機轉速脈沖實時變換為幅值與其頻率對應的電壓信號，在電機啟動期間供啟動電路監視電機的實際啟動過程。
啟動電路是實現電機自啟動的關鍵，其工作受時序邏輯控制，工作過程分為三步：上電初期，啟動電路隨機給出一加電相序（但必為可能的六相序之一），在電磁力的作用下，轉子磁極與定子繞組的相對位置即確定；轉子位置被已知相序確定后，啟動電路按電機所需的轉動方向依次給出初始相序后的各相序，轉子被牽引由初始位置按預定方向轉動。啟動電路逐步提高換相頻率，轉子轉速隨之提高，相應地定子繞組反電勢形成；轉子被牽引加速轉動一定時間間隔后，反電勢達到或超過某一預定閾值，控制邏輯切斷啟動電路與換相電路的聯系，啟動過程由速度閉環控制回路繼續芫成。
此時電機實際轉速與設定轉速相差很大，驅動電路幾乎輸出滿功率，電機迅速加速，隨著轉速上升，驅動電路輸出的電功率下降，電機加速度減小，而速度逐步逼近設定值，其動態待注由速度閉環回路決定，啟動過程順利芫成；若電機因某種原因未啟動或啟動過慢，反電勢未能在規定時間內達到預定閾值，則控制邏輯復位啟動電路，啟動過程重新開始。這種帶有智能判別能力的閉環檢測啟動電路有效解決了這種電機的啟動問題。
啟動控制電路決定一些關鍵參數，如定相加電的時間間隔、變頻牽引的頻率起點和頻率變化規律、變頻牽引持續的時間、反電勢判別閾值等，它們與速度控制回路的電路結構和參數、定子繞組的連接方式和參數、尤其是軸承靜摩擦和電機轉子及負載轉動慣量有關，需要在調試過程中通過大量的試驗確定。
同時也應當保證這些參數具有相當的適應性，避免需要針對同一種電機的不同個體加以再調整。
6結束語使用本文的設計方法、步驟和cad軟件設計的達松伐爾型永磁直流電機已應用于某高精度平臺撓性陀螺儀，電機效率和轉速穩定性、陀螺儀內部溫升和逐次漂移重復性等指標較以往所用磁滯電機及其陀螺儀的指標均有所提高；電機轉速的調節和微調不僅使陀螺儀具備了電調諧能力，而且可避免平臺上的兩只陀螺儀發生同頻共振，有利于系統調整和性能改善。同時研制的驅動與控制電路與撓性陀螺儀一起進行的壽命試驗已超過一萬五干小時，尚未發生任何故障，目前已按軍標二次集成為模塊，使該陀螺儀的使用更為方便，系統也更為簡潔、可靠。
：余翰林
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