第06章无刷直流电动机.ppt
-1-,第六章 无刷直流电动机,控制电机,第一节 无刷直流电动机的组成及原理,第二节 无刷直流电动机的电枢反应,第三节 无刷直流电动机的运行特性,第四节 无刷直流电动机的转矩脉动*,第五节 无刷直流电动机的选用,-2-,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，但是直流电动机具有电刷和换向器装置，运行时所形成的机械摩擦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，长期以来人们在不断寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。,第六章 无刷直流电动机,-3-,随着电子技术、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机电一体化产品，它利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，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。另外，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。,第六章 无刷直流电动机,-4-,第一节 无刷直流电动机的组成及原理一、基本组成,第六章 无刷直流电动机,-5-,1.电动机本体,第六章 无刷直流电动机,-6-,第六章 无刷直流电动机,-7-,2.电子开关线路,第六章 无刷直流电动机,-8-,3.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，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，常见的有电磁式、光电式和霍尔元件式，其基本原理可参阅有关检测技术的书籍。,第六章 无刷直流电动机,-9-,二、工作原理 与普通结构的永磁直流电动机不同，在无刷直流电动机中，电枢绕组放置在定子上，永磁体则放置在转子上。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，把电流导通到相应的电枢绕组。,第六章 无刷直流电动机,-10-,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。这就是无刷直流电动机电子换向的实质。下面就以三相导通三相星形六状态的无刷直流电动机为例（图6-5），进一步说明无刷直流电动机的工作原理。,第六章 无刷直流电动机,-11-,第六章 无刷直流电动机,-12-,第六章 无刷直流电动机,电源正极V1管和V5管A相和C相绕组B相绕组V6管电源负极,电源正极V1管A相绕组B相和C相绕组V6管和V2管电源负极,“A+B-C+”通电状态,“A+B-C-”通电状态,-13-,第六章 无刷直流电动机,-14-,从表6-1可以看出，在1个周期内电动机共有6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。,第六章 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转子永磁体磁动势同步，这也是无刷直流电动机有“同步电动机”之称的一个重要原因。显然，无刷直流电动机定子合成磁动势所产生的是一种跳跃式的旋转磁场，因此相应的电磁转矩必然存在一定的脉动。,第六章 无刷直流电动机,-16-,第二节 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的影响称为电枢反应。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。下面以三相导通三相星形六状态的无刷直流电动机为例，分析其电枢反应的基本特点。,第六章 无刷直流电动机,-17-,选取图6-6(a)所示的“A+B-C+”通电状态，在磁极位置角分别等于0、/6、/3时将电枢磁动势FS沿转子直轴和交轴方向分解，得到直轴电枢磁动势FSd和交轴电枢磁动势FSq，如图6-7所示。,第六章 无刷直流电动机,-18-,由图可见，在一个通电状态内，直轴电枢磁动势在刚开始时，呈现最大去磁图6-7(a)，=0，然后去磁作用逐渐减小；在1/2通电状态时，直轴电枢磁动势为零，既不去磁也不增磁图6-7(b)，=/6；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，最后达到最大增磁图6-7(c)，=/6。直轴电枢磁动势的最大值为,第六章 无刷直流电动机,（6-1）,电枢绕组合成磁动势的幅值,状态角,-19-,无刷直流电动机的状态角一般较大，直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值，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，这是需要特别注意的问题。与普通直流电动机一样，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。对于径向充磁的表面式转子结构图6-8(a)，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较小，通常可以不予考虑。,第六章 无刷直流电动机,-20-,第六章 无刷直流电动机,-21-,对于切向充磁的内嵌式转子结构图6-8(b)，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，则加强部分和削弱部分相等；反之，则产生一定的饱和去磁作用。畸变的气隙磁场也会引起电磁转矩的脉动，不利于电动机的正常运行，这也是设计时需要注意的问题。,第六章 无刷直流电动机,-22-,第三节 无刷直流电动机的运行特性一、等效电路 为简单起见，以表面式永磁体转子结构的两相导通三相星形六状态的无刷直流电动机为例进行分析，并作如下假定：(1)气隙磁密在空间呈梯形波（或近似方波）分布。(2)三相绕组对称，其对应的电路单元也完全一致。(3)忽略电枢齿槽效应、电枢反应和换向过程等的影响。,第六章 无刷直流电动机,-23-,定子三相绕组的电压平衡方程为,第六章 无刷直流电动机,（6-2）,当三相绕组为Y联接且没有中线时,（6-3）,（6-4）,-24-,第六章 无刷直流电动机,（6-5）,-25-,二、基本公式1.感应电动势,第六章 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,第六章 无刷直流电动机,（6-6）,电枢导体的有效长度,导体的线速度,设电枢绕组每相串联匝数为N，每相绕组的感应电动势,（6-7）,-27-,梯形波气隙磁密的每极磁通为,第六章 无刷直流电动机,（6-8）,比较式（6-6）与式（6-8），可得,计算极弧系数,（6-9）,-28-,把上式代入式（6-7），可得,第六章 无刷直流电动机,（6-10）,从直流端看，任何时刻两相导通三相星形无刷直流电动机的感应电动势都是两相绕组感应电动势的串联，所以有,（6-11）,-29-,2.电枢电流 不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感，无刷直流电动机的电压平衡方程式可以简化为,（6-12）,第六章 无刷直流电动机,开关器件的管压降,（6-13）,-30-,3.电磁转矩 无刷直流电动机的电磁功率为,第六章 无刷直流电动机,（6-14）,根据电动机电磁功率与电磁转矩的基本关系，无刷直流电动机的电磁转矩为,（6-15）,-31-,4.电机转速 由式（6-11）、式（6-12），可得无刷直流电动机的转速为,第六章 无刷直流电动机,（6-16）,在理想空载情况下，电机转速为,（6-17）,-32-,由以上推导过程可以看出，无刷直流电动机的基本公式与普通直流电动机是相似的，因此可以预计无刷直流电动机具有和普通直流电动机一样优良的运行特性。三、运行特性1.机械特性 由式（6-16）和式（6-15）可以得到无刷直流电动机的机械特性方程,第六章 无刷直流电动机,（6-18）,斜率,-33-,相应的特性曲线如图6-11所示。可见，无刷直流电动机的机械特性为一直线，随着直流电源电压的增加，机械特性向上平移，而直线斜率保持不变。,第六章 无刷直流电动机,开关器件的管压降增大，使实际加在电枢绕组上的电压减小。,-34-,2.调节特性 根据式（6-18），并利用Te=TL的关系，可以得到无刷直流电动机的调节特性方程,第六章 无刷直流电动机,（6-19）,始动电压U0,-35-,相应的调节特性曲线如图6-12所示。可见，无刷直流电动机的调节特性也为一直线，随着负载转矩的增加，机械特性向右平移，而直线斜率 保持不变。从以上分析可以看出，无刷直流电动机的两个主要运行特性机械特性和调节特性都是线性的，可以通过调节直流电源电压实现无级调速，调速控制性能优异。,第六章 无刷直流电动机,-36-,第四节 无刷直流电动机的转矩脉动*无刷直流电动机输出转矩大，动态响应迅速，调速控制方便，可靠性高，因此它的应用越来越广泛。但是，无刷直流电动机固有的转矩脉动问题却一直限制着其在高精度系统中的应用。对于高精度系统，转矩脉动是衡量无刷直流电动机性能的一项重要指标。因此，分析转矩脉动形成的原因，研究消除或抑制转矩脉动的方法具有十分重要的意义。,第六章 无刷直流电动机,-37-,造成无刷直流电动机转矩脉动的原因很多，主要可以分为以下五个方面：1.电磁因素引起的转矩脉动 这是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动，它与电流波形、感应电动势波形、气隙磁通密度的分布有着直接关系。（1）优化设计法（2）最佳开通角法（3）谐波消去法（4）转矩反馈法,第六章 无刷直流电动机,-38-,2.电流换向引起的转矩脉动 无刷直流电动机工作时，定子绕组按一定顺序换流。由于各相绕组存在电感，阻碍电流的瞬时变化，每经过一个磁状态，电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相时将引起电磁转矩的脉动。（1）电流反馈法（2）滞环电流法（3）重叠换向法（4）PWM斩波法,第六章 无刷直流电动机,-39-,3.齿槽效应引起的转矩脉动 无刷直流电动机定子铁心为了安放定子绕组必然要有齿和槽，由于定子齿槽的存在，引起气隙不均匀，一个齿距内的磁通相对集中于齿部，使气隙磁导不是常数。当转子旋转时，气隙磁场就要发生变化，产生齿槽力矩。齿槽力矩与转子位置有关，因而引起转矩脉动。齿槽力矩是永磁电机的固有特性，在电机低速轻载运行时，齿槽力矩将引起明显的转速波动，进而产生振动和噪声。因此，如何削弱齿槽力矩是永磁电机设计中较为重要的目标之一。,第六章 无刷直流电动机,-40-,4.电枢反应引起的转矩脉动 无刷直流电动机的电枢反应比较复杂，根据电枢反应的性质，电枢反应磁动势可分解为交轴分量和直轴分量。交轴电枢反应磁动势 会使气隙主磁场波形发生畸变，使气隙主磁场的磁感应强度不再是空载时的方波，感应电动势也随之畸变，从而导致感应电动势与电枢电流的不匹配，进而引起转矩脉动。直轴电枢反应磁动势在转子旋转过程中对主磁场先去磁、后增磁，使负载每极总磁通在空载每极总磁通的附近变化。这样，感应电动势和电磁转矩也要发生变化，但影响不大。,第六章 无刷直流电动机,-41-,5.机械加工引起的转矩脉动 机械加工和材料的不一致也是引起无刷直流电动机转矩脉动的重要原因之一。如电机机械加工及装配时产生的尺寸和形位偏差，定子冲片各槽分布不均匀，定子内外圆偏心，定、转子同轴度偏差等产生的单边磁拉力，轴承系统的摩擦转矩不均匀，转子位置传感器定位不准导致的转矩脉动，各相绕组参数不对称及电子元器件性能参数的差异而导致的转矩脉动，磁路中各零件材料特别是永磁体性能不一致而产生的转矩脉动等等。因此，提高工艺加工水平也是减少转矩脉动的重要措施。,第六章 无刷直流电动机,-42-,第五节 无刷直流电动机的选用一、无刷直流电动机的主要技术数据(1)电动机常数KM。是电动机的一个品质指标，单位为Nm/W1/2。对于一个给定体积的电动机而言，KM值越高，电动机的功率就越大。(2)电动势常数Ke。指在单位转速下电枢绕组所感应产生的电压，Ke=Ce。(3)力矩常数KT。指在单位电枢电流下所产生的电磁转矩，又称为力矩灵敏度，KT=CT。(4)电气时间常数e。指当给电枢绕组施加单位阶跃输入电压后，电枢电流达到63%稳态值所需的时间。,第六章 无刷直流电动机,-43-,(5)峰值力矩Tp。指在冷态（20C）条件下，在10s之内电枢绕组的温度不超过最大允许值的情况下，电动机所能安全产生的力矩。当然，产生峰值力矩时也不应超出永磁体所允许的最大去磁磁动势。(6)连续堵转力矩TCS。指在转子被堵转和无限长的时间周期内电枢绕组的温度不超过最大允许值的条件下，电动机所能安全产生的力矩。连续堵转力矩是在规定的安装条件下，如安装在什么形状、什么尺寸和由什么材料制成的散热板上测量得到的数值。,第六章 无刷直流电动机,-44-,二、无刷直流电动机与永磁同步电动机的比较 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、微机控制技术应用于电机领域，是典型的机电一体化产品，促进了电机及控制技术的发展。无刷直流电动机属于永磁式电动机。目前，在自动控制系统中普遍使用的永磁电动机有两大类，即无刷直流电动机BDCM（Brushless DC Motor）和永磁同步电动机PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）。这里将两者的主要区别做个比较，以备选用电机之参考。,第六章 无刷直流电动机,-45-,1.设计理念 设计无刷直流电动机的出发点是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的转子电枢变为定子，如图6-13所示。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流，而BDCM是将方波电流（实际上也是梯形波）直接输入定子，其好处就是省去了机械换向器和电刷，也称为电子换向。为产生恒定电磁转矩，要求系统向BDCM输入三相对称方波电流，同时要求BDCM的每相感应电动势为梯形波，因此也称BDCM为方波电动机。,第六章 无刷直流电动机,-46-,第六章 无刷直流电动机,-47-,而设计永磁同步电动机的出发点是直接用永磁体取代电励磁同步电动机转子上的励磁绕组，以省去励磁线圈、滑环和电刷，如图6-14所示。PMSM的定子与电励磁同步电动机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的。为产生恒定电磁转矩，要求系统向PMSM输入三相对称正弦电流，同时要求PMSM的每相感应电动势为正弦波，因此也称PMSM为正弦波电动机。,第六章 无刷直流电动机,-48-,第六章 无刷直流电动机,-49-,2.结构型式 由于气隙磁密等的波形不同（图6-15），两者定、转子的结构均有所差别。无刷直流电动机的定子通常采用整距集中绕组，转子永磁体则采用表面瓦片式结构，永磁体厚度均匀；而永磁同步电动机的定子采用短距分布绕组，转子永磁体主要有两类：一类是表面永磁体结构，另一类是内置永磁体结构。这两种结构均可确保气隙磁密的波形接近正弦。,第六章 无刷直流电动机,-50-,第六章 无刷直流电动机,-51-,第六章 无刷直流电动机,-52-,3.控制方式 当由变频电源供电时，永磁同步电动机可在开环控制下调速运行，起动时转子上无需另装起动绕组。若转轴上装有位置传感器，则可构成基于位置反馈、闭环控制的自控式永磁同步电动机；无刷直流电动机的转轴上一般装有位置传感器，并做成自控式。,第六章 无刷直流电动机,-53-,4.电磁转矩 永磁同步电动机利用旋转变压器或旋转编码器连续检测转子位置，并根据转子的转速随时调整定子侧逆变器的控制频率，以确保定子旋转磁动势与转子永磁体磁动势同步，因此所产生的电磁转矩基本上是恒定的；而无刷直流电动机则仅需检测转子的若干位置即可，根据这些位置便可决定定子侧逆变器开关器件的通断时刻，从而保证定子旋转磁动势在平均意义上与转子永磁体磁动势同步，因此所产生的电磁转矩存在一定的脉动。,第六章 无刷直流电动机,-54-,5.功率密度 从体积和重量角度看，无刷直流电动机的功率密度要比永磁同步电动机高，其功率密度一般是永磁同步电动机的1.15倍，这主要归因于无刷直流电动机是方波电动机，其磁密有效值与幅值的比值要比永磁同步电动机高，单位峰值电流所产生的电磁转矩（或输出功率）较大。,第六章 无刷直流电动机,-55-,6.应用场合 无刷直流电动机的转速是通过调节直流端的电压来控制的，故控制系统比较简单，价格较便宜。但是由于换向会引起转矩脉动，使系统的稳定性和动态性能稍差，调速范围亦较窄，故多应用于对运行性能要求不是很高、体积及重量受限的场合；而永磁同步电动机通常采用正弦波脉宽调制（SPWM）的变频电源供电，相对来讲其控制系统较为复杂，价格较贵。但是它基本上属于旋转磁场式电动机，转矩脉动小，转速稳定性较高，因此适用于要求高精度控制和宽调速范围的场合。,第六章 无刷直流电动机,-56-,本章小结 无刷直流电动机采用电子换向，从根本上克服了传统直流电动机机械换向的弊端，它既保持了直流电动机优良的运行特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠等优点，是一种高效能的机电一体化产品。本章主要介绍了无刷直流电动机的系统构成、工作原理和运行特性，并对电枢反应及转矩脉动问题等进行了探讨。,第六章 无刷直流电动机,-57-,就电动机本体而言，无刷直流电动机是一台方波型的永磁同步电动机，因此其结构及性能与永磁同步电动机有诸多相似之处。无刷直流电动机的定子与普通交流电机相似，其绕组相数可以是多相，但以三相较为常见。无刷直流电动机的转子是由永磁材料制成的具有一定极数的永磁体，主要有表面式和内嵌式两种。,第六章 无刷直流电动机,-58-,转子永磁体相对于定子各相绕组的位置，由转子位置传感器检测，利用检测信号控制电子开关线路，使之按照一定的逻辑程序驱动与定子绕组相连的电力电子开关器件，从而保证转子永磁体磁动势随着定子合成磁动势同步旋转。由于定子合成磁动势所产生的是一种跳跃式的旋转磁场，因此相应的电磁转矩必然存在一定的脉动。事实上，影响转矩脉动的因素是很多的，主要包括电磁因素、电流换向、齿槽效应、电枢反应以及机械加工等。,第六章 无刷直流电动机,
