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1、aiy,电机设计原理 无刷直流电动机 无刷直流电动机的工作原理 无刷直流电动机的设计规范,无刷直流电动机的工作原理,同步电机的变频调速 无刷直流电机的结构 无刷直流电机的数学模型 无刷直流电机的控制,同步电动机变频调速,1是交流电机调速控制的另一个重要方面，应用广泛。包括： 小功率永磁无刷直流电动机 千瓦级永磁同步电动机 MW（兆瓦）级大型轧钢机、窑炉鼓风机用同步电动机 MW级变速恒频永磁同步风力发电机 2分电励磁型及永磁型同步电动机两种型式 3分他控式及自控式变频调速方式,同步电机的变频调速重要性,同步电动机变频调速,（与异步电机比） 1转速严格为同步速， 精确控制定子供电频率即可准确控制转
2、速，故 无需转速反馈，稳频即稳速 可多台电机协同调速 2转矩响应快，抗负载扰动能力强,同步电机的变频调速的优势,同步电动机变频调速,（1）同步电机（隐极式） 当 、 大小、转速不变时， 即不必改变转子速度（同步速），只要改变张角 ，即可获得快速的转矩响应，无转子惯性的机械时间常数影响。,同步电机的变频调速,同步电动机变频调速,（2）异步电机 转矩变化必须要有转差的变化 曲线稳定运行区， 很小，则 说明转矩变化必须要经滑差 、转子速度 的改变来实现，故转矩响应受转子机械时间常数影响而滞后,同步电机的变频调速,同步电动机变频调速,3同步电机有励磁源，可低频、低速运行 异步电机转子电流靠感应（切割）
3、，很低运行频率下不易感应出大电流来产生足够大转矩，难低频运行 4同步电机通过调节励磁可调节无功、改变 ，并可运行在 状态下。此时定子电流最小、损耗最小。 异步电机需感性无功，运行 低,同步电机的变频调速,同步电机变频调速控制方式（类型）,1他控式同步电机变频调速系统 （1）运行频率由外界（人为）设定“他控” （2）有失步现象。负载过大时， 、 间张角 后，电磁转矩反而减少；当 ，将产生制动转矩。最终使电磁转矩周期性大幅振荡，转速大幅波动“失步”,同步电机的变频调速控制方式,如何确保稳定性（防止失步）？,控制功角d 根据空载电动势矢量 E 来确定外施电压矢量 U。, 根据转子位置来确定外施电压矢
4、量U，获得最佳的d 来取得最大的电磁转矩。需要检测转子位置。,不能采用电网电源供电，而是要用可控电源（逆变 器）来供电。,BLDC，PMSM是一种自控式、永磁励磁的同步电动机,无刷直流电机的数学模型,自控式同步电机变频调速系统,2自控式同步电机变频调速系统 （1）运行频率由转子速度控制，与外界无关“自控” （2）转子每转过一对极，控制变频器输出电量变化一周期，使定子磁场转速永远与转子速度同步，无失步现象 （3）自控式变频调速系统采用“转子位置检测器”检测转子磁极的空间位置及变化，使定子旋转磁场速度与转子速度是“闭环”关系,同步电机的变频调速,一、基本构成 永磁同步电机+转子位置检测器+功率电子
5、开关（逆变器） 基本结构模拟了有刷（永磁）直流电动机,永磁无刷直流电动机原理,无刷直流电机的结构,注意：BLDC的气隙磁场、空载电动势、电压、电流等并不一定是正弦的，所以不能用“相量”来表示。,永磁无刷直流电动机原理,要求永磁无刷直流电动机应有 永磁同步电机本体 代替机械式逆变器（换向器）的功率电子开关 代替电刷的转子位置检测器 1电机本体永磁同步电动机,无刷直流电机的结构,永磁无刷直流电动机原理,（1）定子绕组 多为三相、Y接绕组 可做成四、五、十、十二、十八相等多相绕组，以 减少转矩脉动 减少每相电流、实现大容量化 （2）永磁转子 面贴式永磁体，气隙磁场分布为矩形波，基波 为主,无刷直流电
6、机的结构,永磁无刷直流电动机原理,2功率电子开关 （1）采用自关断器件GTR，P-MOSFET，IGBT等作开关元件 （2）有三相及多相、半桥及全桥电路形式,无刷直流电机的结构,永磁无刷直流电动机原理,（3）作用：在一定的时刻、给一定的绕组、通一定时间长短的直流电流 脉冲直流，和永磁磁场作用产生所需大小，方向的电磁转矩 各相绕组通电顺序、通电时刻、通电时间长短取决于转子磁极和定子绕组轴线的空间相对位置，以使通电时产生的定子磁通（势）矢量 与转子磁通（势）矢量 在空间保持“平均”垂直的位置关系，以获得“平均”最大的转矩。 转子磁极与定子绕组轴线的空间位置关系 由转子位置检测器来感知,无刷直流电机
7、的结构,永磁无刷直流电动机原理,3转子位置检测器 （1）作用：感知转子磁极与定子绕组间的空间位置关系，产生原始位置信号，经逻辑处理，形成功率电子开关元件的触发信号 （2）类型： 电磁式：有开口变压；铁磁谐振电路；接近开关等 磁敏式：霍尔磁元件，应用最多，使永磁元刷直流电机有“霍尔电机”之称 光电式 无传感器方式,无刷直流电机的结构,永磁无刷直流电动机原理,（3）磁敏式位置传感器 霍尔元件（霍尔集成电路）：利用霍尔磁效应检测磁场 霍尔电势反映受检外磁场 的有无、极性、大小,无刷直流电机的结构,永磁无刷直流电动机原理,常用开关型霍尔元件,无刷直流电机的结构,永磁无刷直流电动机原理,转子位置检测系统
8、 两部分组成 永磁转子 相对位置关系固定 反映电机转子磁极的空间位置 霍尔检测元件 数量同电机相数 位置上对称分布（三相 分布）,无刷直流电机的结构,永磁无刷直流电动机原理,波形 原始位置信号 ， ， 触发信号 原始位置信号经逻辑“与”， 获得六路 宽触发信号 按上跳沿互差 ， 供六开关元件触发导通,无刷直流电机的结构,永磁无刷直流电动机原理,（4）光电式 光电元件 发光二极管（发送）+光敏三极管（接收） 数量同电机相数，位置对称分布（三相 分布）,无刷直流电机的结构,永磁无刷直流电动机原理,遮光圆盘 电角度开口，极对数同电机转子 开口处不遮光，发光元件输出“1”；不开口处遮光，发光元件输出“
9、0” 三相系统输出一组 宽原始位置信号 ， ， （同霍尔元件）,无刷直流电机的结构,（二）BLDC的稳态运行情况,回顾凸极同步电动机在d-q-0坐标下的模型很简单：,BLDC的变量因为不是正弦的，所以模型并非如此简单。,无刷直流电机的数学模型,在a-b-c原坐标下考察BLDC的稳态运行情况：,回顾凸极同步电动机在a-b-c坐标下的模型：,无刷直流电机的数学模型,在a-b-c原坐标下BLDC的磁链方程式：,BLDC无转子侧绕组，不需列转子侧的磁链与电压方程。 定子侧的磁链包括两部分：定子电流在定子绕组中产生的磁链、转子永磁体在定子绕组中产生的磁链（设其最大值为m）。,f()代表磁链随转角的变化波
10、形，即磁链的波形函数。,无刷直流电机的数学模型,在a-b-c原坐标下BLDC的电压方程式：,无刷直流电机的数学模型,在a-b-c原坐标下BLDC的电压方程式：,ke()代表空载电动势（通常称反电势）随转角的变化波形，即反电势的波形函数。,无刷直流电机的数学模型,在a-b-c原坐标下BLDC的电磁功率方程式：,无刷直流电机的数学模型,在a-b-c原坐标下BLDC的电磁转矩方程式：,无刷直流电机的数学模型,理想BLDC：,反电势是120o梯形波，电流是120o方波，电磁功率恒定。,无刷直流电机的数学模型,电磁功率：,最常用： 三相六状态120o双极性。,无刷直流电机的数学模型,每个电周期内需检测的
11、转子关键位置数：6； 每个电周期内供电状态数：6； 功率管数：6； 绕组利用率：2/3； 电流利用率：高； 死点：无。,电磁功率：,三相六状态180o双极性,无刷直流电机的数学模型,每个电周期内需检测的转子关键位置数：6； 每个电周期内供电状态数：6； 功率管数：6； 绕组利用率：100%； 电流利用率：高； 死点：有。,电磁功率：,三相三状态120o单极性,无刷直流电机的数学模型,每个电周期内需检测的转子关键位置数：3； 每个电周期内供电状态数：3； 功率管数：3； 绕组利用率：1/3； 电流利用率：高； 死点：理想时无，实际会存在。,电磁功率：,三相六状态180o单极性,无刷直流电机的数学
12、模型,每个电周期内需检测的转子关键位置数：6； 每个电周期内供电状态数：6； 功率管数：3； 绕组利用率：1/2； 电流利用率：低； 死点：无。,电磁功率：,实际BLDC： 外施方波电压，即： 需加正电流时，逆变器上管导通、下管关断； 需加负电流时，逆变器下管导通、上管关断； 零电流时，逆变器上下管均关断。,理想BLDC的方波电流很难实现。,以最常用的120o三相六状态为例。,无刷直流电机的数学模型,实际BLDC中，三相绕组不仅在磁场上是耦合的，在电路上也是耦合的。,无刷直流电机的数学模型,名义上是每个周期六个状态，但实际上是十二个状态。,根据反电势波形决定开关状态 根据转子位置 决定开关状态
13、,无刷直流电机的数学模型,（三）BLDC的数学模型与仿真方法,当某相的逆变器上管导通时，其电机绕组的端电压为直流电源电压；当下管导通时，端电压为0；当无管导通时，端电压未知。,也可以考虑管压降与导通电阻。,* BLDC的外施电压不是相电压，而是端电压或线电压。,无刷直流电机的数学模型,在原坐标（a-b-c坐标）下更易建立BLDC数学模型。,此方程式始终成立，与逆变器的开关状态无关。,无刷直流电机的数学模型,T1、T6导通状态：,在电磁上，只有一个状态变量ia，只需一个状态方程。,不考虑c相，因为不导通、无电流、无c相电磁功率。,无刷直流电机的数学模型,T1、T6导通状态（续）：,此时，Idc
14、= ia。,如果从此状态方程求的任一时刻的ia，再代回此方程可求得pia。再将ia和pia代回相电压方程式就可求的ua。,无刷直流电机的数学模型,T1、T6导通状态（续）：,求得ua之后即得：ung = Udc - ua。,uc可从电压方程式求得：,所以悬空相的端电压ucg也可以求解。,常见误区：ung=Udc/2 X,还应从ucg来确认c相的导通情况。,无刷直流电机的数学模型,T1、T6导通状态（续）：,电磁功率：,电感储能,磁阻功率,基本电磁功率,铜耗,无刷直流电机的数学模型,T1、T6导通状态（续）：,电磁转矩：,机械运动方程：,一定要求解转子位置 ：,在机械上，两个状态变量 和 ，两个状态方程。,无刷直流电机的数学模型,T1、T2、D3导通状态：,无刷直流电机的数学模型,T1、T2、D3导通状态（续）：,在电磁上，两个状态变量 ia 和 ib ，两个状态方程。,三相的端电压均已知。,无刷直流电机的数学模型,T1、T2、D3导通状态（续）：,电磁功率：,无刷直流电机的数学模型,T1、T2、D3导通状态（续）：,无刷直流电机的数学模型,T1、T2、D3导通状态（续）：,电磁转矩：,无刷直流电机的数学模型,T1、T2、D3导通状态（续）：,机械运动方程：
