BLDC无刷直流电动机设计.docx

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BLDC无刷直流电动机设计

BLDC无刷直流电动机-设计

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摘要

序言

　　由于BLDC无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。

　　一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。

其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。

由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。

　　针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的BLDC无刷直流电动机。

经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。

上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为BLDC无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

关键字：

BLDC，各个领域，发展，高性能

ABSTRACT

Preface

由于BLDC无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。

DuetoaseriesofadvantagesofthestructureofBLDCbrushlessDCmotornotonlyhasthesimpleACmotor,reliableoperation,convenientmaintenanceandsoon,butalsohavemanyadvantagesofDCmotorandhighoperationefficiency,noexcitationlossandgoodspeedperformance,theapplicationinvariousfieldsoftoday'snationaleconomygrowingpopularity.

一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。

其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。

由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。

Morethanacentury,themotorasanelectromechanicalenergyconversiondevices,itsapplicationscopehasbeenineveryfieldofthenationaleconomyandpeople'sdailylife.Asynchronousmotor,inductionmotorandDCmotorforthethreemaintypesof.BecausetheconventionalDCmotoradoptsbrushreversinginamechanicalway,sotherearerelativemechanicalfrictions,whichbringsthecremation,radiointerferenceandnoise,shortlifeandotherweaknesses,shortcomingscoupledwithhighmanufacturingcostanddifficultmaintenanceetc,whichgreatlylimitsitsscopeofapplication,resultinginthecurrentagriculturalandindustrialproductionmostadoptthethree-phaseasynchronousmotor.

针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的BLDC无刷直流电动机。

经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。

上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为BLDC无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

InviewofthedisadvantagesoftraditionalDCmotor,intheearly30'softhelastcenturybegantodevelopintheelectroniccommutationinsteadofbrushcommutationofBrushlessDCmotorBLDC.Afterdecadesofeffort,untilintheearly60centuryfinallyrealizedthisdesire.Thelastcenturysincethe70's,withtherapiddevelopmentofpowerelectronicsindustry,manyhighperformancesemiconductorpowerdevices,suchasGTR,MOSFET,IGBT,IPMappearedinsuccession,andtheadventofhighperformancepermanentmagneticmaterials,andlaidasolidfoundationforwideapplicationofBLDCinBrushlessDCmotor.

关键字：

BLDC，各个领域，发展，高性能

Keywords:

BLDC,eachfield,thedevelopmentofhighperformance

关键字：

BLDC，各个领域，发展，高性能

第1章引言

1.1设计目的和要求

1.1.1设计的目的

随着人们对生活环境和品质的不断提高，高科技的发展，电与人们的生活越来越密切相关了。

建筑物的用电系统的重要性就越来越突出，范围越来越广。

而世界的资源是有限的。

所以我们要合理的使用电力资源。

本次设计就是为了让电力更好的得到合理使用，减少无功功率的消耗，也让用电更加安全、可靠、便捷。

1.1.2设计的要求

把居民用电和非居民用电分开调控；

设计电路的线路简单，降低造价成本；如：

减少电缆的米数;

备用发电机电源的独立和消防、紧急照明的用电安全等。

1.2设计的主要内容

这次的设计内容为小区配送电线路设计，我们要通过对小区配电方案的合理选择及配电线路的合理设计来实现小区配电的合理性、安全性、可靠性、经济性和可持续发展性。

1.3设计原则

节能环保安全是设计的唯一原则，我们以这个出发点去思考，去设计这个小区的配送电电路图。

1、城网规划应坚持建设资源节约型和环境友好型电网的原则，应同时考虑降低投资成本和提高运行经济性。

2、城网规划设计时应在噪声、工频电场和磁场、高频电磁波、通信干扰等多方面满足国家相关标准和技术要求。

3、应推广采用大截面、大容量、同杆并架及紧凑型线路，节约线路走廊。

应采用节能型线路金具，淘汰高能耗线路金具。

4、推广采用高可靠性、小型化和节能型设备建设与环境相协调的节约型变电站。

第2章小区环境与住宅情况

2.1小区的位置与气候

当地最高温度是38°C，当地最低温度为2°C，年平均温度为16°C，瞬间最大风速是20m/s，当地平均风速为0.9m/s，年降水量为1000ml，潮湿、极少覆冰，小区海拔为：

500m。

2.2住宅小区基本情况

该小区占地面积为2400平方米，共有11座楼层，其中7座17层、4座16层，每层两户，且每座下面都是连通了的地下室。

4栋和5栋的底层因靠街道，而设计为商业店铺。

该小区还配有地下车库等公共设施。

表2-1小区楼层情况表

一栋

一单元

17层34户

二单元

17层34户

二栋

一单元

17层34户

二单元

17层34户

三栋

一单元

17层34户

二单元

17层34户

三单元

17层34户

四栋

一单元

16层32户

二单元

16层32户

五栋

一单元

16层32户

二单元

16层32户

第3章住宅小区负荷计算

3.1供配电系统概述

随着我们国家人民的生活水平的提高和房地产业的发展，各种新建的住宅小区越来越多。

那就需要我们准确的计算出住宅小区的用电负荷，合理选择各种配变电设施，这样才能既满足小区居民现在及将来的用电负荷，又能合理降低工程造价、节省投资。

供配电系统设计要彻底执行国家的技术经济政策，做到保障人身安全，供电可靠，技术先进和经济合理。

另外，供配电系统的还需要做到统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，合理确定设计方案。

供配电系统的设计为减小电压偏差，应符合下列要求：

一、正确选择变压器的变压比和电压分接头;

二、降低系统阻抗;

三、采取补偿无功功率的措施;

四、宜使三相负荷平衡。

3.2负荷分级及供电要求

3.2.1负荷分级的相关规范

电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度进行分级，并应负荷下列规定：

（一）符合下列情况之一时，应为一级负荷

（1）中断供电将造成人身伤亡的负荷。

（2）中断供电将造成重大政治、经济损失的负荷。

例如重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、有害物质溢出严重污染环境、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等。

（3）中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位正常工作的负荷。

例如重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。

在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷．应视为特别重要的负荷。

例如在工业生产中正常电源中断时处理安全生产所必须的应急照明、通信系统、保证安全停产的自动控制装置等；民用建筑中大型金融中心的关键电子计算机系统和防盗报警系统、大型国际比赛场（馆）的记分系统及监控系统等。

（二）符合下列情况之一时，应为二级负荷

（1）中断供电将在政治、经济上造成较大损失的负荷。

例如主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。

（2）中断供电将影响重要用电单位正常工作的负荷。

如交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱的负荷。

（三）符合下列情况之一时，应为三级负荷

不属于一级和二级的电力负荷。

由于各行业的一级负荷、二级负荷很多，规范只能对负荷分级作原则性规定，具体划分需在行业标准中规定。

3.2.2本工程的负荷情况

按我国现有的有关规范规定，凡多层住宅用电均按三级负荷供电，而小区的配套设施面积较大或地下停车库等应根据《建筑防火设计规范》（GBJ16-87）、《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116-98）、《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》（GB50057-97）设置相应的消防设施，且上述消防设备为二级负荷供电。

为小区服务的保安系统、远程集中收费系统、电视、信息网络系统的负荷等级不应低于二级，即宜由二回线供电或地区供电条件困难时，二级负荷可由一路专用10KV架空线路或电缆组成的线路供电，其每根电缆应能承受百分之百的二级负荷。

本工程包含高层普通住宅、多层住宅、车库等，属于规范规定的二级负荷。

3.3电源及高压供配电系统

小区位于城市主城区域内，高压电源由附近110kv的高压源接引而来，通过降压得到10kv的配网线再接入，由高压电缆输送至小区负荷中心。

近年来，为保证供电质量和供电可靠性，某些小区高压部分采用双电源的供电模式，但对于本设计的小区来说，参考《城市电力网规划设计导则》的规定。

3.3.1电源的选择

一、符合下列条件之一时，用电单位宜设置自备电源：

（1）需要设置自备电源作为一级负荷中特别重要负荷的应急电源时。

（2）设置自备电源较从电力系统取得第二电源经济合理或第二电源不能满足一级负荷要求的条件时。

（3）所在地区偏僻，远离电力系统，经与供电部门共同规划，设置自备电源作为主电源经济合理时。

二、应急电源与工作电源之间必须采取可靠措施防止并列运行。

三、在设计供配电系统时，对于一级负荷中的特别重要负荷，应考虑一电源系统检修或故障的同时，另一电源系统又发生故障的严重情况，此时应从电力系统取得第三电源或自备电源。

四、需要两回电源线路的用电单位，宜采用同级电压供电，但根据各级负荷的不同需要及地区供电条件，也可采用不同电压供电。

五、同时供电的两回及以上供配电线路中，一回路中断供电时，其余线路应能满足全部一级和全部或部分二级负荷的用电需要。

六、供配电系统应简单可靠，同一电压的正常配电级数不宜多于两级。

七、高压配电线路应深入负荷中心。

根据负荷容量和分布、宜使总变电所和配电所靠近高压负荷中心，变电所靠近各自的低压用电负荷中心。

八、对供电电压为35kV且负荷小而集中的用电单位，如没有高压用电设备，发展可能性小且面积受到限制，在取得供电部门同意后，可采用35/0.4kV直降配电变压器。

九、室外配电线路当有下列情况之一时，应采用电缆：

（1）没有架空线路走廊时。

（2）城市规划不允许通过架空线路时。

（3）高层建筑多，架空线路的安全运行受到严重威胁时。

（4）环境对架空线路有严重腐蚀时。

（5）重点风景旅游区的建筑群。

（6）大型民用建筑。

十、在用电单位内部为提高供电可靠性或出于节约用电及检修电源设备的需要，临近的变电所之间宜设置低压联络线。

十一、小负荷的一般用电单位宜纳入当地低压电网。

3.3.2根据用户的需求判断

一、中断供电后造成的后果负荷下列情况之一的用户为重要用户：

（1）中断供电将造成人身伤亡者；

（2）中断供电将造成环境严重污染者；

（3）中断供电将造成重要设备损坏，连续生产过程长期不能恢复或大量产品报废者；

（4）中断供电将在政治上或军事上造成重大影响者。

（5）中断供电将造成重要公共场所秩序混乱者。

（6）对供电质量和可靠性有特殊要求的用户统称为重要用户。

二、重要用户除正常供电电源外，还应有保安备用电源。

保安备用电源原则上应与正常供电电源来自两个独立的电源，如来自不同变电所（发电厂）的电源，或虽来自同一变电所而系互不影响的不同母线段供电的电源。

三、保安备用电源由何种电压供电，决定于用户需要的容量和电网的具体情况。

一般不采用专线供电方式。

保安备用电源的供电容量只限于用户的有关重要负荷，不包括其他负荷。

四、保安备用电源可由供电部门提供，也可由用户自备。

在电力系统瓦解时仍需保证供电的重要负荷，以及通信枢纽、矿井等不能片刻停电的重要负荷，应由用户自备保安备用电源。

如重要负荷容量不大，或由电网供给保安备用电源不经济时，应由用户自备保安备用电源。

五、当重要用户由两路及以上线路供电时，用户侧各级电压网络一般不应环并，以简化保护，当其中任一回路故障重合闸（电缆除外）不成功时，采用备用电源自投，互为备用，以提高供电可靠性。

本设计中的小区用电面积不大，且并不负荷规定中的重要用户标准，因此，只允许接入一回路高压电源。

如有需要，可对电梯、消防设施自备应急电源，但应急电源与工作电源之间必须采取措施，防止并行运行对10kv供电网络造成反送电事故。

应急电源的设置需经过供电部门审查同意后方能接入。

小区正门左边100米为10kv高空架空配电线路，可直接接引一回路10kv。

用高压电力电缆至小区的地下配电房。

3.3负荷计算

3.3.1住宅小区住户照明用电计算方法

照度计算

照度计算方法有利用系数法、单位容量法和逐点法等3种。

任何一种计算方法，都只能做到基本准确。

利用系数法

此法适用于灯具均匀布置的一般照明以及利用墙和天棚作为光线反射面的场合。

当选用反射式、半反射式或漫射式等主要利用反射光通的照明灯具时，必须采用此法计算在工作面上的平均照度E系由光源光通的直射分量以及经房间多次反射的分射分量所造成的。

投射在工作面上的这两个光通之和ΣF与照明灯具在受照房间内所发出的总光通NF之比称为利用系数。

（3-1）

式中F——每一个照明灯具所发出的光通量，流明。

照明装置的利用系数与下列因素有关：

照明灯具的效率及光强分布的情况；

墙壁、天棚和地板的反射系数Pq、Pt和Pd；

室形指数。

对于方形的房间，室形指数i按下式确定：

（3-2）

式中AB——房间的长度和宽度，米；

h——照明灯具的计算高度，米。

利用系数法的基本公式为

（3-3）

（3-4）

式中F－每一个灯泡的光通量，流明；

Emin－最小照度

K－减光补偿系数

S－房间面积

N－灯具数量

Z－最小照度

－光通利用系数

单位容量法

单位容量法的基本公式：

（3-5）

W—在最低照度下每单位面积的安装功率（W）

P—房间内全部灯泡（管）的总安装功率（W）

A—房间的面积（㎡）

根据已知的面积和所选的灯具形式、最小照度E、计算高度h，查表得每单位面积的安装容量W，从上式算出全部灯泡的总安装功率P。

然后除以灯具的功率，再考虑到室形及对灯具布置的要求即可得灯具数量。

电气照明设计的基本原则

本设计照度标准选用国家民用建筑照明标准为基准，并参照有关国外照明标准进行设计。

照明电源，根据国家节能要求特殊装修要求外，均选用高效，低耗的节能型日光灯和节能筒灯为主。

3.3.2其他负荷计算方法

根据以上两种方法求出照明及家用符合外，结合小区的实际情况，还需考虑其它用电负荷。

例如小区还包括小区物业公司，泵房，热力交换站及车库、自行车棚等用电负荷；另外还有四座小搞成，还用考虑电梯负荷；二次加压泵房负荷（供生活及消防用水），以上诸负荷在计算住宅小区负荷重占比重较大的是照明及家用电负荷，而照明及家用电负荷出现最大值的时段为每天19:

00～22:

00，因而在计算小区的最大负荷时就以19:

00～222:

00时段的照明及家用电负荷为基础，然后再叠加其它负荷。

其它负荷计算方法为：

1.电梯

（3-6）

式中PD—电梯实际最大总负荷，kW

PDI—单部电梯负荷，kW

D—多部电梯运行时的同时系数（取值范围见下表）

电梯同时系数一览表

电梯台数12345678910

同时系数10.910.850.800.760.720.680.640.600.54

二次加压水泵：

（3-7）

式中PMS—二次加压水泵最大运行方式下（开泵最多的方式）的实际最大负荷

PSI—各类水泵的单台最大负荷

NSI—最大运行方式下各类水泵的台数

3.物业楼

（3-8）

式中PWM—物业楼在照明及家用电最大负荷时段实际最大负荷

PWS—物业楼设计最大负荷，KW

W—物业楼负荷、照明及家用电最大负荷的同时系数

4.路灯及公用照明：

按照路灯的盏数及每盏灯的瓦数进行累加计算。

路灯负荷为PL（kW）。

5.住宅小区的综合最大负荷

（3-9）

3.3.3详细负荷计算方法

居民用电负荷计算：

首先按照单位面积法计算每户居民最大用电负荷，一次为做单位用电指标，再用单位指标法计算每座住宅楼的负荷并合并计算结果。

（3-10）

式中PM—实际最大负荷，kW

Ped—单位面积计算负荷，W/㎡

S—小区总面积，㎡

—同时系数

其中单位面积计算负荷按某市的用电标准，取40W/㎡，小区内户型种类较多，从80㎡到140㎡左右，其中小户型居多，为方便计算，去平均值100㎡，则每户负荷为：

PM=10W/㎡×100㎡=4kW

再将PM作单位指标Pei带入单位指标法公式

（3-11）

可求出每座住宅楼的用电负荷，如下表：

表3-1小区住宿负荷情况表

序号

楼号

户数

单位指标（KW）

计算负荷（KW）

负荷同时率

实际负荷

1

1栋一单元

34

4

136

0.6

81.6

2

1栋二单元

34

4

136

0.6

81.6

3

2栋一单元

34

4

136

0.6

81.6

4

2栋二单元

34

4

136

0.6

81.6

5

3栋一单元

34

4

136

0.6

81.6

6

3栋二单元

34

4

136

0.6

81.6

7

3栋三单元

34

4

136

0.6

81.6

8

4栋一单元

32

4

128

0.6

76.8

9

4栋二单元

32

4

128

0.6

76.8

10

5栋一单元

32

4

128

0.6

76.8

11

5栋二单元

32

4

128

0.6

76.8

合计

878.4

商铺用电负荷计算：

根据已知商铺面积，可按单位面积法求取每个商铺的用电负荷：

（3-12）

式中PM—实际最大负荷，kW

Ped—单位面积计算负荷，W/㎡

S—小区总面积，㎡

—同时系数

将商铺面积带入上式得负荷值如下表：

表3-2商铺负荷情况表

序号

楼号

户数

面积

单位面积负荷（w/m²）

计算负荷（KW）

负荷同时率

实际负荷（KW）

1

4栋一单元底商

4

240

80

19.2

0.7

13.44

2

4栋二单元底商

4

240

80

19.2

0.7

13.44

3

5栋一单元底商

4

240

80

19.2

0.7

13.44

4

5栋二单元底商

4

240

80

19.2

0.7

13.44

合计

53.76

3.3.4其他用电负荷计算

电梯：

电梯的负荷分级

电梯的负荷分级应符合2.2.1的负荷分级规范要求。

客梯的供电要求应负荷下列要求：

一级复合的客梯，应由引自两路独立电源的专用回路供电；

二级复合的客梯，可由两回路供电，其中一回路应为专用贿赂；

三级复合的客梯，宜由建筑低压配电柜以一回路专用贿赂供电，当有困难时，电源可由同层配电箱接引；