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无刷直流电机结构设计的基本知识

A Knowledge Based Decision Support Architecture for Designing Brushless DC

Motors

Vahab Akbarzadeh Ryerson University 350 Victoria Street Toronto, Ontario M5B 2K3 vahab.akbarzadeh@ryerson.ca

Alireza Sadeghian Ryerson University 350 Victoria Street Toronto, Ontario M5B 2K3 asadeghi@ryerson.ca

Abstract

This paper presents a know l

edge based decision support system that can be used to design brushless DC motors. A hybrid approach, that inc l udes an object oriented paradigm using frames and procedura l

attachments together with a rul e based mechanism, is used to bui d the proposed architecture. The design

strategy is impl emented using a rul e-based successive

iterative method, through which the expert designer approach is emul ated and embedded in a knowl edge-based system. The performance of the proposed system is compared with results from the literature.

1. Introduction

Application of brushless DC (BLDC) motors has increased significantly over the past decades. This is mainly due to high reliability and efficiency of BLDC motors as well as their ability to reach very high speed. Brushless DC motors are rotational brushless permanent magnet motors which are driven by DC current and use electronic control systems instead of the brushes that are usually used in conventional DC motors. Compared to conventional commutator type DC motors, BLDC motors are more efficient, need less maintenance and have longer life span. On the other hand, the control system of BLDC motors needs a rotor positioning mechanism, and the magnets might gradually demagnetize [1], [8]. BLDC motors have been used in a wide variety of applications from industrial to household devices. Typical examples include industrial tools (pumps, compressors), power tools (drills, hammers), transportation (electric vehicles), and household devices (electric shavers, mixers) [4]. Small BLDC motors have also been extensively used in precision devices including medical equipment, computer drives, hard disks, and players.

The conventional design process for BLDC motors consists of selection of the appropriate magnetic material and specification of the geometrical properties of the motor. First, based on the design specifications, the

expert designer selects the set of materials to be used for motor construction, including material for the permanent magnet. Properties of the selected materials are then plugged into a set of equations which calculate the geometrical properties of the motor. Characteristics of the proposed design are then measured in terms of indicators such as efficiency, motor constant, weight, and cost. Magnetic modeling in the conventional method is usually simplified to use a magnetic circuit instead of finite element analysis. This simplification reduces the computation complexity of the design process [6]. Table 1 shows the types of knowledge involved in motor design, independent of the design process and the assumptions [7]:

Tab l e 1. Types of know l edge to be incorporated in the know l

edge base environment DATA TYPE DESCRIPTION

Structural Physical data including material, core, wire gauge, etc.

Graphical Charts and graphs, e.g., core loss rates of various magnetic materials versus frequency and flux density.

Heuristic The empirical knowledge rules used by the experts as a design aid.

Procedural The motor design process and the modification steps.

Criteria

The final performance requirements of the system.

Analytical The design and performance equations.

This paper presents a knowledge based architecture that provides an attractive setting for the BLDC motor design problem by providing a suitable framework whereby analytical data as well as empirical and heuristic data can be readily incorporated and assessed. By presenting a number of alternate designs that have satisfied the design specifications and vary in one or more key characteristics, the proposed system acts as a knowledge driven decision support system capable of providing assistance to expert designers. A contrasting

978-1-4244-2728-4/09/$25.00 ?2009 IEEE

approach to motor design process includes application of Genetic Algorithms (GA) [9]. Some of the advantages of the knowledge based system (KBS) compared to the GA method are as follows:

- Integration of expert’s knowledge: GA is a stochastic and blind search method that does not accept any direction during the search process. However, there exists a large amount of a prior directional heuristic knowledge that can be integrated into the system. Accommodation of this knowledge in the K BS can significantly reduce the computational cost.

- Search space: Depending on the initial assumptions, the motor design process can include numerous input and output parameters increasing the size of the GA search space, hence increasing the computational cost and time, as well as increasing the possibility of getting trapped in local minima. Whereas the proposed K BS uses a systematic approach and is directional where the design task is achieved by iterating among 3 sub-groups in a partitioned rule-based.

- Transparency: The computation method of the K BS systems is more understandable to the user; this will improve the reliability of the final results. Moreover, the transparency of the underlying system will make it easier to modify.

The proposed K

BS uses three knowledge representation methodologies, i.e., frame-based, rule-based, and procedural-based. Structural and graphical knowledge are included using frames, e.g., the magnetic and physical characteristics of the magnet, steel and wire materials together with the properties of the motor parts. Heuristic, procedural and criteria knowledge are represented by means of rules. Finally, the procedures are used to incorporate the analytical knowledge.

The rest of the paper is structured as follows. In Section 2, a brief overview of the conventional design process of BLDC motors is provided. The KBS approach to the design problem is explained in Section 3. The implementation of the system is then described in Section 4. The case study results are presented in Section 5, and finally the conclusions are given.

2. BLDC motor design process

BLDC motors operate based on electromagnetic principles where the interaction between the stator current and the magnetic field of permanent magnets produces the force which drives the motor. The cross-sectional view of a motor is presented in Fig. 1. The design process of these electrical motors consists of two major steps: selection of the material and computation of geometric properties.

First, the specification of the requested design is given. In the simplest case, these parameters include the available input voltage and the desired output power and

speed. The maximum allowed physical properties of the motor are also given. Using this information the designer can initiate the design process.

Fig. 1. Cross-sectiona l view of a BLDC

motor showing some of the geometrica parameters

2.1. Selection of material

The proper material for the permanent magnet (PM) and steel is to be selected first. The designer does not always have full control over this step since manufacturing limitations (e.g., punchability of steel sheets) and availability of materials influence the range of materials that can be used. Cost is another important concern throughout the whole design process. The final product cost is representative of the construction and material costs.

Motor yoke is used to attach the permanent magnet to the shaft and to keep the conductors in place. Soft metallic material, such as silicon steel, is mainly used for motor yoke fabrication. Physical (e.g., lamination stacking factor) and magnetic (e.g., saturated flux density, hysteresis energy loss, permeability) properties are the main criteria used for steel selection. Other operation parameters such as size, frequency of operation and the length of operation periods also have effect on the type of steel recommended for each motor [5].

Possible materials for the permanent magnet are considered based on their physical (e.g., density) and magnetic (e.g., average recoil permeability) properties. Stress effects and applicability under high temperature circumstances are the other important properties of PMs [5]. Table 2 represents heuristic knowledge that can be used for PM selection in BLDC motors.

Table 2. Heuristic knowledge for permanent magnet selection and the recommended alternative materia l

for different DC motor sizes [5].Application Recommended material Primary reason for selection Alternative material Condition or reason favouring

selection of alternative material

Small DC motor Bonded Ferrite - Shape favors fabrication - adequate magnetic energy - low cost

Bonded NdFeB Sintered ferrite

- Higher magnetic energy Large DC motor SmCo (Samarium Cobalt) - Maximum energy per unit volume - Resistant to demagnetization and corrosion

- Expensive material

NdFeB (Neodymimum Iron Boron) - High magnetic energy - Less expensive

- Low temp. operation

- Corrosion prone

2.2. Computation of geometric properties

The geometric parameters of the motor including rotor radius size, stator yoke width, tooth width, and magnet length, are calculated using conventional design method [6]. In order to calculate some of the geometric parameters, the magnetic field inside the motor needs to be modeled. The modeling can be done using the magnetic circuit or finite element techniques. Although the finite element method produces more accurate results, the magnetic circuit technique is much faster and produces results that are acceptable in most engineering applications. Meanwhile, the electrical parameters (e.g., number of turns per slot) are to be determined. When all the parameters have been decided upon, the quality of the design is measured using performance indices such as motor constant and efficiency index. The motor constant index, K m, is a performance criterion which is proportional with the amount of torque produced in a motor and inversely proportional with the cost of the torque production, i.e., energy dissipated in coils and is defined as [6]: R I T K m 2= (1) Where T is torque;I is the total current in slots, and R is the total slot resistance. Efficiency is the other fundamentally important criterion defined as [10]:

%100×+++=s

cl r m m

P P P T T ωωη (2)

where ωm is mechanical speed, and P r , P cl , P s are ohmic motor loss, core loss, and stray loss respectively. 3. KBS design algorithm BLDC motor design process is an iterative approach where an initial design is first obtained using the conventional design methodology. Using a successive test/modification process, the design requirements are measured, and modifications, if any, are recommended accordingly. Iterations between modification and test will continue until no more modifications can be made [2], [7]. This process can be broken into the following steps: 1. An initial design is developed using the conventional design method. 2. The characteristics of the developed design are compared with the desired design, and the unsatisfactory aspects are marked to be modified later. 3. Modifications are suggested based on the deficiencies found in the existing design. 4. New designs are developed based on the suggested

modifications.

5. The process will end if no more modifications can be

done otherwise step 2 and forward will be repeated.

It is noted that the main expertise of a motor designer

resides in the modification part, where the expert suggests an improvement considering all the trade-offs that exist in the motor design process.

Fig 2. Knowledge Base structure of the

system.

4.KBS architecture

The main paradigms of knowledge representation including frames, rules, and procedural attachments are used in the proposed system. We will show that the iterative motor design process can be well implemented in a K BS framework. The overall structure of our knowledge base is illustrated in Fig. 2. Each part has a specific responsibility which will be explained next. 1.Frames: have a hierarchical structure and together with their slots and facets are used to represent the BLDC motors and to store the specifications of different elements involved in the motor design process and to define relationships. As can be seen in Fig. 2, the motor parts along with the materials used for motor construction are represented as frames. The materials involved in the process have a hierarchical structure (e.g. Alnico is an instance of the PM) that can be well implemented with the inheritance present in frame structure. Requested design specifications are held in the requested design frame. This frame contains the input parameters and the requested performance of the final designs.

Table 3. A sample design rule D ESIGN RULE TO CALCULATE STATOR YOKE WIDTH D ESCRIPTION

(defrule Design::23-Calculate-Stator-Yoke-Width

(object

(is-a REQUESTED-DESIGN)

(maximum-steel-flux-density ?steel-flux)

(steel-lamination-stacking-factor ?lam-factor)

(number-of-magnets ?no-mag))

?motor <- (object

(is-a MOTOR)

(outside-rotor-radius ?outr-rad)

(air-gap-flux-density ?air-den))

(send ?motor Design::Calculate-Stator-Yoke-Width ?outr-rad ?air-den ?no-mag ?steel-flux ?lam-factor))Get the values of

Maximum-steel-flux-density ry

Steel-lamination-stacking-factor st

Number of magnets m

From the Requested Design, and the values of Outside-rotor-radius ro

Air-gap-flux-density g B

From the motor that the design request has been initiated.

Then

Send a message with all the collected values to the “Calculate-Stator-Yoke-Width” procedure.

2.Rules: have an “IF condition THEN action” structure and can be used to represent the design algorithm as explained in the previous section and the expertise of the expert. Rules provide a mechanism to access, to control and to change data structures (i.e. frames, their attributes and relations) toward the goal of finding a set of satisfactory designs. The design algorithm explained in the previous section is also implemented by means of rules. This is done by partitioning the rule base into three main sets, i.e., initial design, test and modifications. The BLDC design process starts with the activation of the initial design rule set and then proceeds with successive iterations between the test and modification rule sets until no more modifications can be made. The functionality of these rule sets are as follows:

a.Initial design rule set: uses the conventional motor

design methodology to reach an initial design of

the motor. A sample design rule is shown in Table

3. When the conditions are met, i.e., the required

design parameters are known, the rule is executed

by calling a procedural attachment which calculates the value of stator-yoke-width of the

motor. We note that the required design parameters

are collected from the “Motor” and the “Requested-Design” frames.

b.Test rule set: compares the specifications of the

developed designs with that of the requested design

to indicate if they meet the desired performance

that are given in the requested design frame. If the

design criteria are met then no action is to be taken

and the exiting design is put in a satisfactory

designed queue. Otherwise, appropriate flags are

set to indicate which specification is under-

performed.

c.Modify rule set: proposes modifications to improve

the performance of flagged designs based on the

available expertise, i.e., modification rules. The

modified designs are then considered for evaluation by test rule set.

3.Procedural attachments: represent the analytical expressions that the system uses for the design process. Frames and rules lack the ability to perform numerical calculations, so procedural attachments compensate for the lack of computational ability inherent to frames and rules. Procedures are attached to their related frames and are activated by rules. 5.Results

The proposed KBS is developed in CLIPS [3] and its generated designs are compared to the result of the conventional design method found in the literature [6]. The design specifications of the motor are listed in Table 4, and the generated designs are shown in Table 5. The main goal of the system is to maximize the motor constant parameter. Efficiency and weight have the next highest priority. All the designs developed by our knowledge based system have higher motor constant compared to the conventional design.

Table 4. Design Specifications.

Torque (Nm) 0.3

Speed (rpm) 10000

Maximum back emf (V-DC) 28

Number of magnets 4

Number of slots 12

Air gap length (mm) 0.5

Magnet length (mm) 3

Outside stator radius (mm) 30

Outside rotor radius (mm) 14.4

Motor axial length (mm) 100

In the first design, an increase in the motor constant and a decrease in the weight have been achieved by increasing the rotor outside radius and decreasing the magnet length. The efficiency, however, is slightly decreased. In the second design, the amount of magnetic material has been increased by increasing the magnet length. The outside rotor radius is also increased respectively to accommodate for more magnetic material. On the other hand, there is less space for the winding. In this case, efficiency and motor constant has been improved, but it is heavier. In the last design, the magnetic material has been substituted with a stronger one. This has increased motor constant, but at the cost of reduced efficiency and added weight. A knowledge driven decision can be made by the system user to select any of the suggested designs that better suits their application.

Table 5. Results

M OTOR S PECIFICATIONS

D ESIGNS CONVENTIONAL F IRST S ECOND T HIRD

Motor constant 0.116387 0.116462 0.12475 0.244425 Efficiency (%) 96.88 96.87 96.89 94.97 Weight (Kg) 0.947017 0.919971 1.130179 1.588682 Phase inductance (mH) 0.616 0.635 0.35 0.045

Phase resistance (Ω) 0.103314 0.098805 0.090063 0.023585 Air gap flux (Wb) 0.000409 0.000413 0.000465 0.001506 Magnet length (m) 0.007 0.006 0.012 0.008 Outside rotor radius (m) 0.0144 0.0147 0.0159 0.0165

Proposed Magnet Bonded ferrite Bonded Bonded Bonded Proposed Steel M-19 M-19 M-19 M-19

6. Conclusion

BLDC motor design involves an iterative approach

which starts with an initial design and then iterates between test and modification phases. We developed a system which imitates this approach in a K BS framework. The analytical, graphical, procedural, heuristic and criteria knowledge were integrated into the KBS using frames, rules and procedures. For a given set of required performances, the system produces several alternate designs that meet the required performances, but have different specifications. The designers can select the one that best meets their priorities requirements. The system was implemented and the effectiveness of the system was shown by comparing the results with those of the conventional method. References

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机械设计 1 机械与结构设计基础知识(简化)

1机械与结构设计基础知识第一节机械与结构设计（基础）概述一、机械与结构设计（基础）在工业设计中的地位工业设计的核心是产品设计，而产品设计离不开机械设计。随着专业分工的细化，团队工作（team work）已成为产品开发设计的主要工作方式。工业设计师作为团队的一员，需要与其他成员进行交流，特别是要与机械与结构设计工程师就工业产品的原理、结构、材料、工艺及加工设备等方面进行交流与讨论。一定的工程技术知识，包括机械设计与结构设计知识是团队合作交流的基础，特别是与工程技术人员的交流。另外，为了使设计具有工程技术、生产加工的可能性、合理性、经济性，工业设计师需要具备一定的工程技术知识，包括机械设计与结构设计知识。如，设计某种洗衣机时，工业设计师就要首先了解洗衣机的工作原理、结构、材料工艺与加工设备等，并在设计过程中就这方面的问题频繁地与各种工程师，包括机械与结构设计工程师进行切磋与沟通。本课程（专业基础课）学习目的：学习机械与结构设计基本知识，帮助同学提高工程技术素养，提高相关能力，力求实现以下目标： 1、初步具备机械与结构基本常识，有能力与机械或结构工程师就相关问题进行一般的交流沟通； 2、使产品设计方案具有更多的工程技术尤其是结构、机构方面的合理性； 3、为进一步深入学习机械与结构设计与其它工程技术知识打下初步的基础。

二、机械与结构设计（基础）研究对象和任务（一）、机械、机器、机构、构件、零件的概念机械--- 机器与机构的总称，如工程机械、包装机械、农业机械、矿山机械、化工机械等。机器--- 一种用来转换或传递能量、物料和信息的、能执行机械运动的装置，具有以下特征： 1、人为的实物（机件）的组合体。 2、各个部分间具有确定的相对运动。 3、能够用来转换能量，完成有用功或处理信息等。如电动工具、车辆、计算机等机构--- 能实现预期的机械运动的各实物的组合体。常用机构：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。具有以下特征： 1、人为的实物（机件）的组和体。 2、各个部分间具有确定的相对运动。构件--- 机构中的运动单元或构造单元，由一个或几个零件组成的刚性结构。零件--- 制造的基本单元。零件又分：通用零件、标准件，专用零件、非标准件等，可以是各种材料制成的。因此，机械产品(机器)由三个层面构成: 机构、构件、零件 1、内燃机分析示例

电动机基本知识

电动机基本知识电动机通常简称为电机，俗称马达，在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的作用就是将电能转换为机械能。 1、按工作电源分类根据工作电源的不同，电动机可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机根据电源相数分为单相电动机和三相电动机。直流电动机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 2、按结构和工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为同步电动机和异步电动机两种。同步电动机又分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机 3 种。异步电动机又分为感应电动机和交流换向器电动机两种。感应电动机又分为单相异步电动机、三相异步电动机和罩极异步电动机3 种。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机 3 种。 3、按启动与运行方式分类电动机按启动与运行方式可分为电容启动式电动机、电容启动运转式电动机和分相式电动机。

4、按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、复读机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀、电动自行车、电动玩具等）用电动机、其他通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。 5、按转子的结构分类电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（早期称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（早期称为绕线型异步电动机）。 6、按运转速度分类电动机按运转速度可分为低速电动机、高速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有极恒速电动机、无极恒速电动机、有极变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM 变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。 7、按防护形式分类

三相无刷直流电机系统结构及工作原理

图2.3 直流无刷电动机的原理框图位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。 2.4基本工作原理众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。 2.5无刷直流电机参数本系统采用的无刷电机参数 ·额定功率：100W ·额定电压：24V（DC） ·额定转速：3000r/min ·额定转矩：0.23N?m ·最大转矩：0.46N?m ·定位转矩：0.01N?m ·额定电流：4.0A

关于直流电机及控制系统的基本知识

关于直流电机及控制系统的基本知识 6、直流电机的四象限运行：直流电机与交流电机一样，也有两种运行方式：电动运行和制动运行。如果再以正、反转来分的话，则分为正转运行、正转制动运行和反转运行、反转制动运行四种运行方式。如果以坐标形式来表示的话，则称为电机的四象限运行坐标，见下图4-5各种运行方式的机械特性曲线。当电机正向运行时，其机械特性是一条横跨1、2、4象限的直线。其中1象限为电动运行状态，电磁转矩方向与旋转方向相同，第2、4象限为制动运行状态，在此状态内是产生一个与转向方向相反的阻力矩，以使拖动系统迅速停车或限制转速的升高。制动状态下转矩的方向与转速的方向相反，此时电机从轴上吸收机械能并转化为电能消耗于电枢回路电路或回馈于电源。第3象限为反向电动运行。

当电磁转矩T M与转速n同方向，T M是拖动负载运动的，所以电机运行曲线处于1、3象限，1象限为电机正向运行，3象限为电机反向运行；当T M与转速n的方向相反时，表示电机机处于制动运行方式，其机械特性曲线在坐标的2、4象限内，2象限内为电机正向制动，包含能耗制动过程（O A线段）、电源反接制动过程（-T M B线段）和正向回馈制动过程（-n0C）线段；处于第四象限时为电机反向制动，也包含能耗制动过程（O D线段）、倒拉反接制动过程（T M E线段）和反向回馈过程（-n0F线段）。 7、直流电机的启动、停止和制动控制：直流电机从接入电源开始，电枢由静止开始转动到额定转速的过程，称为启动过程。要求启动时间短、启动转矩大、启动电流小。启动的要求是矛盾的，比如，用逐渐提升供电电压实施软起动，来降低起动电流，但启动时间又会加长；加大启动转矩，又势必增大的启动电流等。因而要根据实际应用和配置情况，对启动问题综合考虑。 1）启动方式： a、直接启动。只适用于小型直流电机。启动方法是先给电机加励磁，并调节励磁电流达到最大，当励磁磁场建立后，再使电枢绕组直接加上额定电压，电机开始启动。在启动过程中，电枢中最大冲击电流，称为启动电流。直流启动，因启动电流大，电气和机械冲击大等缺点，应用较少； b、早期采用变阻器启动，电动机在启动时在电枢回路中串入变阻器，用接触器触点切换电阻只数，限制启动电流。将启动电流限制在2位额定电流以内。后期采用晶闸管电子电力技术，用改变电枢电压的方式实现了软起动。 2）停止方式： a、自由停车。直流电机的电源关断后，电机按运转惯性自由停车； b、施加制动（刹车）措施，如机械抱闸刹车、能耗制动、反接制动等使其快速停车。 3）直流电机的制动方式和方法：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称为电动机处于制动状态。制动的目的：使电动机减速或停车、限制电动机转速的升高（如电车下坡）。机械抱闸制动也是一种制动（刹车）方式，但不属电机运行特性的范畴。属于电机运行特性的制动方式和方法有以下四种，有时也统称为电磁制动方式。 a、能耗制动。指运行中的直流电机突然断开电枢电源，然后在电枢回路串入制动电阻，使电枢绕组的惯性能量消耗在电阻上，使电机快速制动。由于电压和输入功率都为0，所以制动平衡，线路简单；

电机的基础知识探讨分析

电机的基础知识探讨分析电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机也称电机（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。电动机的种类 1．按工作电源分根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 2．按结构及工作原理分根据电动机按结构及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 3．按起动与运行方式分类根据电动机按起动与运行方式不同，可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。 4．按用途分类可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。 5．按转子的结构分类根据电动机按转子的结构不同，可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。 6．按运转速度分类根据电动机按运转速度不同，可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

机械结构设计知识

机械结构设计一、机械结构设计的内容具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。二、机械结构设计特点机械结构设计的主要特点有：（1）它是集思考、绘图、计算（有时进行必要的实验）于一体的设计过程，是机械设计中涉及的问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段，在整个机械设计过程中，平均约80%的时间用于结构设计，对机械设计的成败起着举足轻重的作用。（2）机械结构设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。（3）机械结构设计阶段是一个很活跃的设计环节，常常需反复交叉的进行。三、结构件的几何要素在功能表面之间的联结部分称为联接表面。零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件结构设计的核心问题。描述功能表面的主要几何参数有表面的几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。四、结构件之间的联接零件的相关分为直接相关和间接相关两类。凡两零件有直接装配关系的，成为直接相关。没有直接装配关系的相关成为间接相关。间接相关又分为位置相关和运动相关两类。位置相关是指两零件在相互位置上有要求，如减速器中两相邻的传动轴，其中心距必须保证一定的精度，两轴线必须平行，以保证齿轮的正常啮合。运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关，如车床刀架的运动轨迹必须平行于于主轴的中心线. 在进行结构设计时，两零件直接相关部位必须同时考虑，以便合理

地选择材料的热处理方式、形状、尺寸、精度及表面质量等。同时还必须考虑满足间接相关条件，如进行尺寸链和精度计算等。五、结构件的材料及热处理设计者要做到正确地选择材料就必须充分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。如：钢材受拉和受压时的力学特性基本相同，因此钢梁结构多为对称结构。铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度，因此承受弯矩的铸铁结构截面多为非对称形状，以使承载时最大压应力大于最大拉应力. 对于需要热处理加工的零件，在进行结构设计时的要求有如下几点：（1）零件的几何形状应力求简单、对称，理想的形状为球形。（2）具有不等截面的零件，其大小截面的变化必须平缓，避免突变。如果相邻部分的变化过大，大小截面冷却不均，必然形成内应力。（3）避免锐边尖角结构，为了防止锐边尖角处熔化或过热，一般在槽或孔的边缘上切出2～３mm的倒角。（4）避免厚薄悬殊的截面，厚薄悬殊的截面在淬火冷却时易变形，开裂的倾向较大。六、机械结构设计的基本要求下面就机械结构设计的三个不同层次来说明对结构设计的要求：1．功能设计满足主要机械功能要求，在技术上的具体化。如工作原理的实现、工作的可靠性、工艺、材料和装配等方面。 2．质量设计兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和性能价格比，它是现代工程设计的特征。具体为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求和限制。在现代设计中，质量设计相当重要，往往决定产品的竞争力。那种只满足主要技术功能要求的机械设计时代已经过去，统筹兼顾各种要求，提高产品的质量，是现代机械设计的关键所在。与考虑工作原理相比，兼顾各种要求似乎只是设计细节上的问题，然而细节的总和是质量，产品质量问题不仅是工艺和材料的问题，提高质量应始于设

无刷直流电机的组成及工作原理

无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 2.2.2 电子换相电路控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路

结构设计原理知识点

第一章钢筋混凝土结构基本概念及材料的物理力学性能 1.混凝土立方体抗压强度cu f ：（基本强度指标）以边长150mm 立方体试件，按标准方法制作养护28d ，标准试验方法（不涂润滑剂，全截面受压，加载速度0.15~0.25MPa/s ）测得的抗压强度作为混凝土立方体抗压强度 cu f 。影响立方体强度主要因素为试件尺寸和试验方法。尺寸效应关系： cu f （150）=0.95cu f （100） cu f （150）=1.05cu f （200） 2.混凝土弹性模量和变形模量。 ①原点弹性模量：在混凝土受压应力—应变曲线图的原点作切线，该切线曲率即为原点弹性模量。表示为：E '=σ/ε=tan α0 ②变形模量：连接混凝土应力应变—曲线的原点及曲线上某一点K 作割线，K 点混凝土应力为σc （=0.5c f ），该割线（OK ）的斜率即为变形模量，也称割线模量或弹塑性模量。 E c '''=tan α1=σc /εc 混凝土受拉弹性模量与受压弹性模量相等。 ③切线模量：混凝土应力应变—上某应力σc 处作一切线，该切线斜率即为相应于应力σc 时的切线模量''c E =d σ/d ε 3 . 徐变变形：在应力长期不变的作用下，混凝土的应变随时间增长的现象称为徐变。影响徐变的因素：a. 内在因素，包括混凝土组成、龄期，龄期越早，徐变越大；b. 环境条件，指养护和使用时的温度、湿度，温度越高，湿度越低，徐变越大；c. 应力条件，压应力σ﹤0.5 c f ，徐变与应力呈线性关系；当压应力σ介于（0.5～0.8）c f 之间，徐变增长比应力快；当压应力σ﹥0.8 c f 时，混凝土的非线性徐变不收敛。徐变对结构的影响：a.使结构变形增加；b.静定结构会使截面中产生应力重分布；c.超静定结构引起赘余力；d.在预应力混凝土结构中产生预应力损失。 4.收缩变形：在混凝土中凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减少的现象称为收缩。混凝土收缩原因：a.硬化初期，化学性收缩，本身的体积收缩；b.后期，物理收缩，失水干燥。影响混凝土收缩的主要因素：a.混凝土组成和配比；b.构件的养护条件、使用环境的温度和湿度，以及凡是影响混凝土中水分保持的因素；c.构件的体表比，比值越小收缩越大。混凝土收缩对结构的影响：a.构件未受荷前可能产生裂缝；b.预应力构件中引起预应力损失；c.超静定结构产生次内力。 5.钢筋的基本概念 1.钢筋按化学成分分类，可分为碳素钢和普通低合金钢。 2钢筋按加工方法分类，可分为a.热轧钢筋；b.热处理钢筋；c.冷加工钢筋（冷拉钢筋、冷轧钢筋、冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋。） 6.钢筋的力学性能物理力学指标：（1）两个强度指标：屈服强度，结构设计计算中强度取值主要依据；极限抗拉强度，材料实际破坏强度，衡量钢筋屈服后的抗拉能力，不能作为计算依据。（2）两个塑性指标：伸长率和冷弯性能：钢材在冷加工过程和使用时不开裂、弯断或脆断的性能。 7.钢筋和混凝土共同工作的的原因：（1）混凝土和钢筋之间有着良好的黏结力；（2）二者具有相近的温度线膨胀系数；（3）在保护层足够的前提下，呈碱性的混凝土可以保护钢筋不易锈蚀，保证了钢筋与混凝土的共同作用。第二章结构按极限状态法设计计算的原则 1.结构概率设计的方法按发展进程划分为三个水准：a.水准Ⅰ，半概率设计法，只对影响结构可靠度的某些参数，用数理统计分析，并与经验结合，对结构的可靠度不能做出定量的估计；b.水准Ⅱ，近似概率设计法，用概率论和数理统计理论，对结构、构件、或截面设计的可靠概率做出近似估计，忽略了变量随时间的关系，非线性极限状态方程线性化；c.水准Ⅲ，全概略设计法，我国《公桥规》采用水准Ⅱ。 2.结构的可靠性：指结构在规定时间（设计基准期）、规定的条件下，完成预定功能的能力。可靠性组成：安全性、适用性、耐久性。可靠度：对结构的可靠性进行概率描述称为结构可靠度。 3.结构的极限状态：当整个结构或构件的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态和破坏—安全状态。承载能力极限状态对应于结构或构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形，具体表现：a.整个构件或结构的一部分作为刚体失去平衡；b.结构构件或连接处因超过材料强度而破坏；c.结构转变成机动体系；d.结构或构件丧失稳定；e.变形过大，不能继续承载和使用。正常使用极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，具体表现：a.由于外观变形影响正常使用；b.由于耐久性能的局部损坏影响正常使用；c.由于震动影响正常使用；d.由于其他特定状态影响正常使用。破坏—安全状态是指偶然事件造成局部损坏后，其余部分不至于发生连续倒塌的状态。（破坏—安全极限状态归到承载能力极限状态中） 4.作用：使结构产生内力、变形、应力、应变的所有原因。作用分为：永久作用、可变作用和偶然作用。永久作用：在结构使用期内，其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用可变作用：在结构试用期内，其量值随时间变化，且其变化值与平均值相比较不可忽略的作用。

直流电机参数知识分享

直流电机参数

一、概述 1.Z2系列小型直流电机为中华人民共和国机械工业部JB1104-68部颁标准所规定的标准系列小型直流电机。 2.Z2系列小型直流电机共分11个机座号，每个机座号有两种铁心长度，制造有直流电动机、直流发电机、直流调压发电机三种，适用于一般正常的工作环境。电动机作一般传动用，发电机作为一般直流电源用，调压发电机作蓄电池组充电用。 3.励磁方式：电动机为带有少量稳定绕组的并激或他激励磁。发电机为复激或他激励磁（额定电压为230伏的发电机），调压发电机为并激励磁（不带串激绕组）。电机的他激励磁电压制成有110伏或220伏二种。电动机额定电压110伏的仅有他励电压110伏一种。 4.Z2系列电机根据使用要求可制成湿热地区使用的具有防潮、防霉、防盐雾性能的湿热带型（TH）直流电机。 5.型号含义：Z表示“直”流，2表示第二次全国定型设计，横线后数字表示机座号与铁心长短，例如Z2-11前一个1代表1号机座，后一个1代表短铁心，而Z2-112中11代表11号机座，2代表长铁心。二、结构型式 1.直流发电机或直流调压发电机仅制造卧式，机座带底脚的一种。 2.直流电动机可制成下表所示的结构型式。三、Z2系列电动机 1.电动机可用三角皮带、正齿轮或弹性联轴器进行传动，不使电机轴承受轴向推力。 2.电动机可在正转或逆转情况下正常工作。四、Z2系列发电机及调压发电机 1.Z2系列发电机及调压发电机的旋转方向自换向器端看去为顺时针方向，根据使用要求亦可制成逆时针方向旋转的发电机或调压发电机。 2.Z2系列发电机及调压发电机根据订货要求可制成与Y系列三相异步电动机配套成的发电机组成套供应。 3.调压发电机的额定功率为平均电压（对110/160伏的为135伏，对220/320伏的为270伏）时的功率，当电压高于平均电压时其输出功率不大于额定功率，当电压低于平均电压时其输出电流不大于额定电流。五、订货须知订货时须注明电机的型号及具体规格（包括励磁方式、旋转方向、出线盒位置、是否双轴伸、结构型式等），例如Z2-62 13千瓦220伏1500转/分他激电动机，他励电压220伏，卧式机座带底脚，端盖有凸缘。配套的异步电动机、变阻器等附件，电刷、刷握等备件的供应，或有特殊要求（如供湿热带地

无刷直流电机结构

无刷直流电机结构、类型和基本原理一、概述直流电动机的主要长处是调速和启动特性好，堵转转矩大，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严峻地影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰。缩短电动机寿命，换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难，长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。随着电子技术的迅速发展，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特性。又具有交流电动机结构简朴、运行可靠、维护方便等优点；它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转要中运行。元刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快地发展。二、无刷直流电动机的基本结构和类型 (一)基本结构无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言．可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。其基本结构如图5一20所示。电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机．它包括主定子和主转子两部分，主定子上放置空间互差120。的三相对称电枢绕组Ax、BY、cz，接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成

直流电机的基本知识

直流电机的基本知识 1 直流电机的工作原理永磁式直流电机是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图是这种电机的符号和简化等效电路[1]。工作原理图：图直流电机的符号和等效电路这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。永磁式换流器电机的特点：当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于V／Rw(这儿V是电源电压)。最大·电流出现在刚起动的条件。转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。体积小、重量轻、起动转矩大。由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。

无刷直流电机工作原理详解

无刷直流电机工作原理详解日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如：能获得更好的扭矩转速特性；高速动态响应；高效率；长寿命；低噪声；高转速。另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为广泛的3相BLDC。 2.1 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。

BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图 2.1.3所示。

无刷直流电机控制系统的设计

1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停

关于结构设计基础知识

第一章金属材料

抗大气、酸、碱、盐等介质腐蚀作用的不锈耐酸钢总称。要达到不锈耐蚀作用,含铬(Cr)量不少于13%；此外可加入镍(Ni)或钼(Mo)等来增加效果。由于合金种类及含量不同，种类繁多。不锈钢特点：耐蚀好，光亮度好，强度高；有一定弹性；昂贵。不锈钢材料特性: 1、铁素体型不锈钢：其含Cr量高,具有良好耐蚀性及高温抗氧化性能。 2、奥氏体不锈钢：典型牌号如1Cr18Ni9,1Cr18Ni9T1无磁性,耐蚀性能良好,温强度及高温抗氧化性能好,塑性好,冲击韧性好,且无缺口效应,焊接性能优良,因而广泛使用。这种钢一般强度不高,屈服强度低,且不能通过热处理强化,但冷压,加工后,可使抗拉强度高,且改善其弹性,但其在高温下冷拉获得的强度易化。不宜用于承受高载荷。 3、马氏体不锈钢：典型如2Cr13,GX-8,具磁性,消震性优良,导热性好,具高强度和屈服极限,热处理强化后具良好综合机械性能。加含碳量多,焊后需回为处理以消除应力、高温冷却易形成8氏体,因此锻后要缓冷,并应立即进行回火。主要用于承载部件。例： SUS 301 弹性不锈钢 SUS304 不锈钢 10Cr18Ni9 它是一种奥氏体不锈钢,淬火不能强化,只能消除冷作硬化和获得良好的抗蚀,淬火冷却必须在水是进行,以保证得到最好的抗蚀性;在900℃以下有稳定的抗氧化性。适于各种方法焊接;有晶间腐蚀倾向,零件长期在腐蚀介质、水中及蒸汽介质中工作时可能遭受晶界腐蚀破坏;钢淬火后冷变形塑性高,延伸性能良好,但切削加工性较差。

1Cr18Ni9 它是标准的18-8型奥氏体不锈钢,淬火后能强化,但此时具有良好的耐蚀性和冷塑性变形性能；因塑性和韧性很高,切削性较差；适于各种方法焊接；由于含碳量较0Cr18ni9高,对晶界腐蚀敏感性较焊接后需热处理,一般不适宜用作耐腐蚀的焊接件；在850℃以下空气介质、以及750℃以下航空燃料燃烧产物的气氛中肯有较稳定的抗氧化性。 Cr13Ni4Mn9 它属奥氏体不锈耐热钢,淬火不能强化,钢在淬火状态下塑性很高,可时行深压延及其它类型的冷冲压;钢的切削加工性较差;用点焊和滚焊焊接的效果良好,经过焊接后必须进行热处理;在大气中具有高耐蚀性;易产晶界腐蚀,故在超过450的腐蚀介质是为宜采用;在750～800℃以下的热空气中具有稳定的抗氧化性。 1Cr13 它属于铁素体-马氏体型为锈钢,在淬火回火后使用;为提高零件的耐磨性,疲劳性能及抗腐蚀性可渗氮、氰化;淬火及抛光后在湿性大气、蒸汽、淡水、海水、和自来水中具有足够的抗腐蚀性,在室温下的硝酸中有较好的安定性;在750℃温度以下具有稳定的抗氧化性。退火状态下的钢的塑性较高,可进行深压延钢、冲压、弯曲、卷边等冷加工;气焊和电弧焊结果还满意;切削加工性好,抛光性能优良;钢锻造后冷并应立即进行回火处理。 2Cr13 它属于马氏体型不锈钢,在淬火回火后使用;为提高零件的耐磨性耐腐蚀性、疲劳性能及抗蚀性并可用于渗氮处理、氰化；淬火回火后钢的强度、硬度均较1Cr13钢高,抗腐蚀性与耐热性稍低;在700℃温度以下的空气介质中仍有稳定的抗氧化性。钢的焊接性和退火状态下塑性虽比不上1Cr13 ,但仍满意;切削加工性好;抛光性能优良;钢在锻造后应缓冷,并立即进行回火处理。 3Cr13 它属于马氏体型不锈钢,在淬火回火后使用,耐腐蚀性和在700℃以下的热稳定性均比1Cr13 ,2Cr13低,但强度、硬度,淬透性和热强性都较高。冷加工性和焊接性不良,焊后应立即热处理;在退火后有较好的切削性;在锻造后应缓冷,并应立即进行回火处理。 9Cr18 它属于高碳含铬马氏体不锈钢,淬火后具有高的硬度和耐磨性;对海水,盐水等介质尚能抗腐蚀;钢经退火后有很好的切削性;由于会发生硬化和应力裂纹,不适于焊接;为了避免锻后产生裂纹,必须缓慢冷却(最好在炉中冷却),在热态下,将零件转放入700～725℃的炉中进行回火处理。特点：保持了低碳钢较好的塑性，及成形性；一般料厚不超过0.6mm。用途：遮蔽磁干扰的遮片及冲制少零件；中碳钢含锰(Mn)、铬(Cr)、硅(Si)等合金钢；特性：材料可以产生很大弹性变形，利用弹性变形来吸收冲击或减震，亦可储存能量使机件完成动作。特点：导电、导热、耐蚀性好，光泽度好，塑性加工容易，易于电镀、涂装。 1.纯铜(含Cu 99.5%以上) 亦称紫铜，材料强度低，塑性好；极好导电性，导热性，耐蚀性；用于电线、电缆、导电设备上。 2.黄铜铜锌合金，机械性能同含锌量有关；一般锌量不超过50%。特点：延展性，冲压性好，运用于电镀，对海水及大气腐蚀有好的抗力。但本体容易发生局部腐蚀。 3. 青铜铜锡合金为主的一类铜基合金金属统称。特点：比纯铜及黄铜有更好的耐磨性：加工性好，耐腐蚀。 4. 铍铜含铍(Be)的铜合金；

机械设计的基础知识点详解

机械设计基础知识点详解绪论 1、机器的特征：（1）它是人为的实物组合；（2）各实物间具有确定的相对运动；（3）能代替或减轻人类的劳动去完成有效的机械功或转换机械能。第一章平面机构的自由度和速度分析要求：握机构的自由度计算公式，理解的基础上掌握机构确定性运动的条件，熟练掌握机构速度瞬心数的求法。 1、基本概念运动副：凡两个构件直接接触而又能产生一定相对运动的联接称为运动副。低副：两构件通过面接触组成的运动副称为低副。高副：两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。复合铰链：两个以上的构件同时在一处用回转副相联构成的回转副。局部自由度：机构中常出现的一种与输出构件运动无关的自由度，称为局部自由度或多余自由度。虚约束：对机构运动不起限制作用的重复约束称为虚约束或称消极约束。瞬心：任一刚体相对另一刚体作平面运动时，其相对运动可看作是绕某一重合点的转动，该重合点称为瞬时回转中心或速度瞬心，简称瞬心。如果两个刚体都是运动的，则其瞬心称为相对速度瞬心；如果两个刚体之一是静止的，则其瞬心

称为绝对速度瞬心。 2、平面机构自由度计算作平面运动的自由构件具有三个自由度，每个低副引入两个约束，即使构件失去两个自由度；每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。计算平面机构自由度的公式： F=3n-2P L-P H 机构要具有确定的运动，则机构自由度数必须与机构的原动件数目相等。即，机构具有确定运动的条件是F>0,且F等于原动件个数。 3、复合铰链、局部自由度和虚约束 (a)K个构件汇交而成的复合铰链应具有(K-1)个回转副。 (b)局部自由度虽然不影响整个机构的运动，但滚子可使高副接触处的滑动摩擦变成滚动摩擦，减少磨损，所以实际机械中常有局部自由度出现。 (c)虚约束对机构运动虽不起作用，但是可以增加构件的刚性和使构件受力均衡，所以实际机械中虚约束随处可见。 4、速度瞬心如果一个机构由K个构件组成，则瞬心数目为 N=K(K-1)/2 瞬心位置的确定： (a)已知两重合点相对速度方向，则该两相对速度向量垂线的交点便是两构件的瞬心。 (b)两构件组成回转副时，回转副的中心便是它们的瞬心。 (c)两构件组成移动副时，由于所有重合点的相对速度方向都平行于移动