第06章-无刷直流电动机

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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

2、音大，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

3、优点。交流电动机结构简单、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- 定定子子 永永磁磁转转子子 传传感感器器定定子子 传传感感器器转转子子 (

4、a) 结构示意图结构示意图 (b) 定转子实际结构定转子实际结构 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-8-实际电机实际电机 外外转转子子 绕绕组组 永永磁磁体体 内内定定子子 结构示意图结构示意图 -9-2. 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-10-3. 3. 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

5、。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。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-11- 电磁式位置传感器 (a) 结构原理图； (b) 剖面图 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-12- 光电式位置传感器 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-13-四相霍尔无刷直流电动机原理图 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-14-二、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

6、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-15- 随着转子的连续旋转，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

7、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。 下面就以下面就以两相导通三相星形六状态两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电动机-16-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-17-两相导通星形三相六状态时绕组和开关

8、管导通顺序表两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-18- 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

9、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-19-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的转向、状态角的大小以

10、及电机磁路的饱和程度都有关系。关系。 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-20- A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/21/2磁状态时既不磁状态时既不去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁达到最大值。增磁和去磁磁动

11、势的大小等于电枢合成磁动势动势F Fa a在转子磁极轴线上的投影，其最大值为在转子磁极轴线上的投影，其最大值为第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-21-admsin2 sin2sin222mmmaawFFFIWK式中F 每相绕组的磁动势；W每相绕组的串联匝数； Kw绕组系数。 磁状态角 m / 3第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-22- 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。或设计不合理，极