第06章无刷直流电动机.ppt

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1、-1-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机控制电机控制电机-2-直流电动机由于调速性能好、堵转转矩大等优点而直流电动机由于调速性能好、堵转转矩大等优点而在各种运动控制系统中等到广泛应用，但是直流电动机在各种运动控制系统中等到广泛应用，但是直流电动机具有电刷和换向器装置，运行时所形成的具有电刷和换向器装置，运行时所形成的机械摩擦机械摩擦严重严重影响了电机的精度和可靠性，因摩擦而产生的火花还会影响了电机的精度和可靠性，因摩擦而产生的火花还会引起无线电干扰。电刷和换向器装置使直流电动机结构引起无线电干扰。电刷和换向器装置使直流电动机结构复杂、噪音大，维护也比较困难。所以，长期以来人们复杂、噪音

2、大，维护也比较困难。所以，长期以来人们在不断寻求在不断寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-3-随着电子技术、随着电子技术、计算机技术和永磁材料的迅速发计算机技术和永磁材料的迅速发展，诞生了无刷直流电动机。这种电动机是典型的展，诞生了无刷直流电动机。这种电动机是典型的机电机电一体化产品一体化产品，它利用电子开关线路和位置传感器来代替，它利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，电刷和换向器，既具有直流电动机的运行特性，又具有既具有直流电动机的运行特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。交

3、流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。另另外，它的转速不再受机械换向的限制，可以制成转速高外，它的转速不再受机械换向的限制，可以制成转速高达每分钟几十万转的高速电动机。达每分钟几十万转的高速电动机。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-4-第一节第一节 无刷直流电动机的组成及原理无刷直流电动机的组成及原理一、基本组成一、基本组成第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-5-1.1.电动机本体电动机本体第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-6-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-7-2.2.电子开关线路电子开关线路第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-8-3.3

4、.转子位置传感器转子位置传感器 位置传感器也是无刷直流电动机的重要组成部分，位置传感器也是无刷直流电动机的重要组成部分，其作用是检测转子磁场相对于定子各相绕组的位置，以其作用是检测转子磁场相对于定子各相绕组的位置，以确定各相绕组导通和关断的顺序。它有多种结构形式，确定各相绕组导通和关断的顺序。它有多种结构形式，常见的有常见的有电磁式电磁式、光电式光电式和和霍尔元件式霍尔元件式，其基本原理可，其基本原理可参阅有关检测技术的书籍。参阅有关检测技术的书籍。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-9-二、工作原理二、工作原理 与普通结构的永磁直流电动机不同，在无刷直流电与普通结构的永磁直流电动机不

5、同，在无刷直流电动机中，动机中，电枢绕组放置在定子上，永磁体则放置在转子电枢绕组放置在定子上，永磁体则放置在转子上上。定子各相电枢绕组相对于转子永磁体的位置，由转。定子各相电枢绕组相对于转子永磁体的位置，由转子位置传感器通过电子方式或电磁方式所感知，并利用子位置传感器通过电子方式或电磁方式所感知，并利用其输出信号，通过电子开关线路，按照一定的逻辑程序其输出信号，通过电子开关线路，按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连接的电力电子开关器件，把电流去驱动与电枢绕组相连接的电力电子开关器件，把电流导通到相应的电枢绕组。导通到相应的电枢绕组。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-10-随着转子的

6、连续旋转，位置传感器不断地发送转子随着转子的连续旋转，位置传感器不断地发送转子位置信号，使电枢绕组不断地依次通电，不断地改变通位置信号，使电枢绕组不断地依次通电，不断地改变通电状态，从而使得转子各磁极下电枢导体中流过电流的电状态，从而使得转子各磁极下电枢导体中流过电流的方向始终不变。方向始终不变。这就是无刷直流电动机电子换向的实这就是无刷直流电动机电子换向的实质。质。下面就以下面就以三相导通三相星形六状态三相导通三相星形六状态的无刷直流电动的无刷直流电动机为例（图机为例（图6-5），进一步说明无刷直流电动机的工作原），进一步说明无刷直流电动机的工作原理。理。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流

7、电动机-11-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-12-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机电源正极电源正极V1管和管和V5管管A相和相和C相绕组相绕组B相绕组相绕组V6管管电源负极电源负极 电源正极电源正极V1管管A相绕组相绕组B相和相和C相绕组相绕组V6管和管和V2管管电源负极电源负极“A+B-C+”通电状态通电状态“A+B-C-”通电状态通电状态-13-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-14-从表从表6-1可以看出，在可以看出，在1个周期内电动机共有个周期内电动机共有6个通电状态，个通电状态，每个状态都是三相同时导通，每次换向都只有一个开关器件的状每个状态都是三相

8、同时导通，每次换向都只有一个开关器件的状态发生改变，而每个开关器件持续导通的角度均为态发生改变，而每个开关器件持续导通的角度均为180电角度。电角度。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-15-综合以上分析可以看出，无刷直流电动机通过检测综合以上分析可以看出，无刷直流电动机通过检测转子磁极的若干位置，来决定定子侧逆变电路开关器件转子磁极的若干位置，来决定定子侧逆变电路开关器件的通断时刻，从而保证定子合成磁动势在平均意义上与的通断时刻，从而保证定子合成磁动势在平均意义上与转子永磁体磁动势同步，转子永磁体磁动势同步，这也是无刷直流电动机有这也是无刷直流电动机有“同同步电动机步电动机”之称的一

9、个重要原因之称的一个重要原因。显然，无刷直流电动。显然，无刷直流电动机定子合成磁动势所产生的是一种机定子合成磁动势所产生的是一种跳跃式的旋转磁场跳跃式的旋转磁场，因此因此相应的电磁转矩必然存在一定的脉动相应的电磁转矩必然存在一定的脉动。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-16-第二节第二节 无刷直流电动机的电枢反应无刷直流电动机的电枢反应 电动机负载时电枢绕组电流所产生的磁场对主磁场电动机负载时电枢绕组电流所产生的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。的影响称为电枢反应。无刷直流电动机的电枢反应与电无刷直流电动机的电枢反应与电枢绕组的连接方式、逆变电路的通电方式、电动机的转枢绕组的连接方式、

10、逆变电路的通电方式、电动机的转向、状态角的大小以及电机磁路的饱和程度都有关系。向、状态角的大小以及电机磁路的饱和程度都有关系。下面以下面以三相导通三相星形六状态三相导通三相星形六状态的无刷直流电动机的无刷直流电动机为例，分析其电枢反应的基本特点。为例，分析其电枢反应的基本特点。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-17-选取图选取图6-6(a)6-6(a)所示的所示的“A A+B B-C C+”通电状态通电状态，在磁极在磁极位置角位置角分别等于分别等于0 0、/6、/3时将时将电枢磁动势电枢磁动势F FS S沿转子沿转子直轴和交轴方向分解，得到直轴和交轴方向分解，得到直轴电枢磁动势直轴电

11、枢磁动势F FSdSd和和交轴电交轴电枢磁动势枢磁动势F FSqSq，如图，如图6-76-7所示。所示。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-18-由图可见，在一个通电状态内，直轴电枢磁动势在由图可见，在一个通电状态内，直轴电枢磁动势在刚开始时，呈现刚开始时，呈现最大去磁最大去磁 图图6-7(a)6-7(a)，=0，然后去磁，然后去磁作用逐渐减小；在作用逐渐减小；在1/21/2通电状态时，直轴电枢磁动势为通电状态时，直轴电枢磁动势为零，零，既不去磁也不增磁既不去磁也不增磁 图图6-7(b)6-7(b)，=/6；在后半个通；在后半个通电状态内，直轴电枢磁动势的增磁作用逐渐加大，最后电状态内

12、，直轴电枢磁动势的增磁作用逐渐加大，最后达到达到最大增磁最大增磁 图图6-7(c)6-7(c)，=/6。直轴电枢磁动势的最大值为直轴电枢磁动势的最大值为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机2sinmSSdmFF（6-1）电枢绕组合成磁动势的幅值电枢绕组合成磁动势的幅值 m/3状态角状态角-19-无刷直流电动机的状态角一般较大无刷直流电动机的状态角一般较大，直轴电枢反应，直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值，磁动势可以达到相当大的数值，若永磁材料磁性能不佳若永磁材料磁性能不佳或设计不合理，极有可能造成永磁体永久失磁，这是需或设计不合理，极有可能造成永磁体永久失磁，这是需要特别注意的问题

13、。要特别注意的问题。与普通直流电动机一样，与普通直流电动机一样，交轴电枢磁动势对主磁场交轴电枢磁动势对主磁场的影响是使气隙磁场波形发生畸变的影响是使气隙磁场波形发生畸变。对于。对于径向充磁的表径向充磁的表面式转子结构面式转子结构 图图6-8(a)6-8(a)，由于交轴方向上永磁体本身，由于交轴方向上永磁体本身的磁阻很大，故交轴电枢磁动势所引起的气隙磁场畸变的磁阻很大，故交轴电枢磁动势所引起的气隙磁场畸变较小，通常可以不予考虑。较小，通常可以不予考虑。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-20-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-21-对于对于切向充磁的内嵌式转子结构切向充磁的内嵌

14、式转子结构 图图6-8(b)6-8(b)，由于，由于交轴方向上极靴铁心的磁阻很小，故交轴电枢磁动势可交轴方向上极靴铁心的磁阻很小，故交轴电枢磁动势可导致气隙磁场发生较大畸变，使主磁极一端磁通加强，导致气隙磁场发生较大畸变，使主磁极一端磁通加强，另一端磁通削弱。如果磁路不饱和，则加强部分和削弱另一端磁通削弱。如果磁路不饱和，则加强部分和削弱部分相等；反之，则产生一定的饱和去磁作用。部分相等；反之，则产生一定的饱和去磁作用。畸变的畸变的气隙磁场也会引起电磁转矩的脉动，不利于电动机的正气隙磁场也会引起电磁转矩的脉动，不利于电动机的正常运行，这也是设计时需要注意的问题。常运行，这也是设计时需要注意的问

15、题。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-22-第三节第三节 无刷直流电动机的运行特性无刷直流电动机的运行特性一、等效电路一、等效电路 为简单起见，以表面式永磁体转子结构的为简单起见，以表面式永磁体转子结构的两相导通两相导通三相星形六状态三相星形六状态的无刷直流电动机为例进行分析，并作的无刷直流电动机为例进行分析，并作如下假定：如下假定：(1)(1)气隙磁密在空间呈梯形波（或近似方波）分布。气隙磁密在空间呈梯形波（或近似方波）分布。(2)(2)三相绕组对称，其对应的电路单元也完全一致。三相绕组对称，其对应的电路单元也完全一致。(3)(3)忽略电枢齿槽效应、电枢反应和换向过程等的忽略电枢齿

16、槽效应、电枢反应和换向过程等的影响。影响。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-23-定子三相绕组的电压平衡方程为定子三相绕组的电压平衡方程为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机（6-2）cbacbacbacbap000000eeeiiiLMMMLMMMLiiiRRRuuu当三相绕组为当三相绕组为Y Y联接且没有中线时联接且没有中线时0cbaiii（6-3）acbMiMiMi（6-4）-24-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机cbacbacbacbap000000000000eeeiiiMLMLMLiiiRRRuuu（6-5）-25-二、基本公式二、基本公式1.1.感应电动势感应电动势第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-26-单根导体在气隙磁场中的感应电动势为单根导体在气隙磁场中的感应电动势为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机（6-6）vlBea电枢导体的有效长度电枢导体的有效长度 导体的线速度导体的线速度 26060Dnp nv设电枢绕组每相串联匝数为设电枢绕组每相串联匝数为N N，每相绕组的感应电动势，每相绕组的感应电动势eNE2（6-7）-