永磁无刷直流电机简介汇编

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1、 内转子，外定子 外转子，内定子 无刷直流电动机基本结构 X C Y A N B Z N S A X B Y C Z S N 无刷直流电机的基本原理 一、直流电机 基本原理的公式体现： 磁轭（Fe) 定子铁心（Fe) 磁极+励磁线圈/永磁体 电枢=定子铁心+导体+换向器 电机是： 合二为一，各伺其职！ 合二为一： 定子 转子 各伺其职： 定子：产生电流I 转子：产生磁场B f=BIL 旋转磁场的产生 假定电机定子为3相6极，星型连接。转子为一对极。 电流方向不同时，产生的磁场方向不同。 若绕组的绕线方向一致，当电流从A相绕组流进， 从B相绕组流出时，电流在两个绕组中产生的磁动 势方向是不同的。

2、 6 6步通电顺序步通电顺序 三相绕组通电遵循如下规则：三相绕组通电遵循如下规则： 每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个 绕组不导通；绕组不导通； 通电顺序如下：通电顺序如下： 1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.6.A+C-A+C- 6 6步通电顺序步通电顺序 1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.

3、6.A+C-A+C- 每步磁场旋转每步磁场旋转6060度，每度，每6 6步旋转磁场旋转一周；步旋转磁场旋转一周； 每步仅一个绕组被换相。每步仅一个绕组被换相。 随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。 磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：123456123456 磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：654321654321 1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.6.A+C-A+C- 2 2）如

4、何实现换相？）如何实现换相？ 1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.6.A+C-A+C- 必须换相才能实现磁场的旋转，如果根据转子磁极的必须换相才能实现磁场的旋转，如果根据转子磁极的 位置换相，并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互位置换相，并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互 垂直的条件，就能取得最大转矩。垂直的条件，就能取得最大转矩。 要想根据转子磁极的位置换相，换相时就必须知道转要想根据转子磁极的位置换相，换相时就必须知道转 子的位置，但并不需要连续的位置信息，只要知道换子的位置

5、，但并不需要连续的位置信息，只要知道换 相点的位置即可。相点的位置即可。 在无刷直流电机中，一般采用在无刷直流电机中，一般采用3 3个开关型霍尔传感器测个开关型霍尔传感器测 量转子的位置。由其输出的量转子的位置。由其输出的3 3位二进制编码去控制逆变位二进制编码去控制逆变 器中器中6 6个功率管的导通实现换相。个功率管的导通实现换相。 开关型霍尔传感器：开关型霍尔传感器： 霍尔传感器和定子绕组是固定不转的，转子是永久磁铁，磁铁经过转子霍 尔传感器后，霍尔器件产生一个脉冲。 当将一块通电的半导体薄片垂直置于磁场中时，薄片两侧由此会产生电位 差，此现象称为霍尔效应。 霍尔集成电路具有无触点、无磨损

6、、无火花、低功耗、寿命长、灵敏度高 、工作频率高的特点。 霍尔集成电路是霍尔元件与电子线路一体化的产品，它是由霍尔元件、放 大器、温度补偿电路和稳压电路利用集成电路工艺技术制成的。它能感知 一切与磁有关的物理量，又能输出相关的电控信息，所以霍尔集成电路既 是一种集成电路，又是一种磁敏传感器。 霍尔工作原理霍尔工作原理 如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N N极逐渐靠近极逐渐靠近 霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态；霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态； 当当N N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，

7、其输出仍极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍 然保持导通状态；只有磁场转变为然保持导通状态；只有磁场转变为S S极并达到一定值时，其输出极并达到一定值时，其输出 才翻转为截止状态。才翻转为截止状态。 在在S-NS-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%50%。 如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的 电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。 直流无刷电机中一般安装直流无刷电机中

8、一般安装3 3个霍尔传感器，间隔个霍尔传感器，间隔120120度或度或6060 度按圆周分布。度按圆周分布。 如果间隔如果间隔120120度，则度，则3 3个霍尔传感器的输出波形相差个霍尔传感器的输出波形相差120120度度 电角度；电角度； 输出信号为高、低电平各占输出信号为高、低电平各占180180度电角度。度电角度。 如果规定输出信号高电平为如果规定输出信号高电平为“ “1”1”，低电平为，低电平为“ “0”0”，则输出的，则输出的 三个信号可用三个信号可用3 3位二进制编码表示。位二进制编码表示。 100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111

9、110 n n如果间隔如果间隔6060度，则输出波形相差度，则输出波形相差6060度电角度。度电角度。 n n间隔间隔120120度与度与6060度的二进制编码是不同的。度的二进制编码是不同的。 三相永磁无刷直流电动机转子 位置传感器输出信号Ha、Hb、 Hc在每360电角度内给出了6个 代码，按其顺序排列，6个代码 是101、100、110、010、011、 001。当然，这一顺序与电动机 的转动方向有关，如果转向反 了，代码出现的顺序也将倒过 来 图5是三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路，也就是 由6只功率开关元件组成的三相 H形桥式逆变电路。 三相直流无刷电动机的换相原理 4 5

10、1 A B C X Y Z 图5 三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路 3 2 6 一、电枢绕组的反电势 单根电枢绕组在气隙磁场中的感应电势 式中：B 气隙磁感应强度； l 导体的有效长度； v 转子相对于定子导体的线速度。 对于线速度v 有： 式中：n 电动机转速，单位为r/min； D 电枢内径； p 极对数； 极距。 如果定子每相绕组串联的匝数是N，则每相绕组的反电势为： 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为： 其中，是计算极弧系数。因而有： 考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电，所以，线电势E为两相 电势之和： 计算极弧系数的定义为：一个极 距内的气隙磁密平均值和气隙磁 密最大值

11、的比值。 磁通：通过某一截面积的磁力线总数，用 表示，单位为韦（伯）Wb；磁感应强度 是与磁力线方向垂直的单位面积上所通过 的磁力线数目，又叫磁力线密度，也叫磁 通密度，用B表示，单位为特（斯拉）T。 方波电动机的电磁转矩Te 是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用 而产生的。可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩。 式中： 角速度， I 电枢电流 E 两相电动势之和 二、电磁转矩 对于转矩则有： （5-3） 从式（5-2）和式（5-3）可以看出，三相永磁方波电动机与永磁直流电动机 有完全相同的反电势公式和转矩公式。 直流电机的基本方程式 2)电磁转矩T 一对磁极的磁通(Wb); n电枢转

12、速(r/min); Ce 电势常数. 式中: 1)感应电势E 式中: T电磁转矩(Nm); Ia电枢电流(A); Ct转矩常数. 直流电动机的机械特性 原理电路图 直流电动机电枢电压平衡方程式 直流电动机的自然机械特性 在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为 自然机械特性. 永磁无刷直流 电动机的机械 特性曲线对比 改变电枢电压的人工机械特性 n0随U的变化而变化 但转速下降速率不变 .因此,变电枢电压的人工机械特 性是一簇与自然机械特性平行的 特性曲线. 改变磁通的人工机械特性 从机械特性方程可知,改变磁通 时,电动机的理想空载转速和转 速降落都会随磁通的变化而变 化.

13、磁通只能在额定值以下调节,理 想空载转速和转速降落都要增大- -弱磁增速. 电机的绕组 永磁无刷直流电机分数槽集中绕组 采用分数槽技术的优点： 1)平均每对极下的槽数大为减少, 以较少数目的大槽代替数目较多的小槽, 可减少 槽绝缘占据的空间, 有利于提高槽满率, 进而提高电动机性能; 同时, 较少数目的 元件数, 可简化嵌线工艺和接线, 有助于降低成本。 2)可改善反电势波形的正弦性。 3)分数槽绕组电机有可能得到线圈节距y = 1的设计(集中绕组) 。 每个线圈只绕 在一个齿上,缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度, 减低用铜量; 各个线圈端部没 有重叠, 不必设相间绝缘。所以有文献称这种绕组为

14、非重叠绕组。 4)分数槽集中绕组便于使用专用绕线机, 直接将线圈绕在齿上, 取代传统嵌线工 艺, 提高工效。 5)提高电动机性能。槽满率的提高、线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短, 使电 动机绕组电阻减小, 铜损随之也减低, 进而提高电动机效率和降低温升。 6)分数槽的齿槽效应转矩由于每转次数较多,幅值通常比整数槽绕组小, 定子铁心 无须斜槽,有利于降低振动和噪声。 分数槽绕组的定义：每极每相槽数q=Z/2mp不为整数的绕组称为分数槽绕组 单元电机Z0 和p0 组合选择的约束条件: 分数槽电机的Z0 和p0 组合不是可以任意选择的。 1)为了使各相绕组对称, 必须每相均分到相同的槽数, 即必须Z

15、0 /m =整数。对于 三相电机,m = 3, Z0必须为3的倍数。 2)由于Z0 / p0 为不可约分数, 因此: p0 /m 整数, 即p0 不允许是m 的倍数。对于 三相电动机,m = 3, p0 不允许选择为3的倍数。 3)如果Z0 为偶数, 因Z0 / p0为不可约分数, p0必为奇数。 4)如果Z0 为奇数, p0 可能是奇数, 也可能是偶数。 通过磁势相量星形图对电机绕组及霍尔位置的分析 以12齿5极对电机举例说明 这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的表 面上，永磁体的充磁方向为径向。 表贴式转子磁路结构又可分为凸出式和插入式两种 转子磁路结构不同，则电机的运行性能、控制系统、制造工艺 和适用场合也不同。根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同 步电机的转子磁路结构通常分为两种：表贴式和内置式 表贴式 电气学院 表贴凸出式和插入式转子磁路结构图 电气学院 其结构简单，制造成本较低，转动惯量较小，多用于矩形 波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的永磁同步电动 机中 1）表贴凸出式转子磁路结构 2）表贴插入式转子磁路结构 这种结构可充分利用转子结构磁路的