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1、第三讲永磁无刷直流电机第三讲永磁无刷直流电机PMBLDCM permanent maget brushless DC motor ?1.概述 永磁有刷直流电机与传统他励直流电机特性类似 永磁无刷直流电机用电子换向器取代机械换向器 永磁体励磁不可调节 结构更加简单、维护方便、起动性能和调速性能优 功率密度高，体积小，广泛用于传动系统 机电一体化 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?1.电机结构 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?2.转子磁极结构 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?2.转子磁极结构 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?3.工作原理
2、 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?3.工作原理 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?3.工作原理 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?3.工作原理 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?3.工作原理 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?4.逆变器拓扑结构 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?5.位置传感器 霍尔传感器 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?5.位置传感器 光电传感器 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?5.位置传感器 电磁式位置传感器 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?
3、6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?7.永磁无刷直流电动机主要波形 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷
4、直流电机 ?8.电机的暂态数学模型 由于稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电 势以及电流是非正弦的，因此不能采用直、交铀 坐标变换的分析方法。通常，直接利用电动机本 身的相变量来建立数学模型。 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?8.电机的暂态数学模型 假设不计磁路饱和，不计涡流和磁滞，三相对称，则其电压方 程为： + + = c b a c b a c b a c b a e e e i i i p LMM MLM MML i i i R R R u u u 00 00 00 定子、 相电 压 定子 相电 压 相感 应电 势 相绕 组自 感 两相 绕组 互感 微分 算子 第二讲
5、永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?8.电机的暂态数学模型 上述模型中，电流为三相对称方波、电势为梯形波. 对于表面式电机，转子磁阻不随转子位置变化，因此自感和互感为 常数 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?8.电机的暂态数学模型 当三相绕组Y接，且没有中线，则： :, 0代入模型，有并且： acbcba MiMiMiiii=+=+ + + = c b a c b a c b a c b a e e e i i i p ML ML ML i i i R R R u u u 00 00 00 00 00 00 )( 1 ccbbaa ieieieT+= 电磁转矩为： 第二讲永
6、磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?8.电机的暂态数学模型 )( ccbbaae ieieieP+=电磁功率为： dt d JTT Le =转子运动方程为： 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?8.电机的暂态数学模型 根据电压方程可以建立等效电路模型： + + = c b a c b a c b a c b a e e e i i i p ML ML ML i i i R R R u u u 00 00 00 00 00 00 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?8.电机的暂态数学模型 根据电压方程还常写成状态方程的形式： + + = c b a c b a c b
7、 a c b a e e e i i i p ML ML ML i i i R R R u u u 00 00 00 00 00 00 = c b a c b a c b a c b a e e e i i i R R R u u u ML ML ML i i i p 00 00 00 * 1 00 0 1 0 00 1 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?9.永磁无刷电机的电枢反应 A、B相通电时产生电枢磁场Fa 转子磁场Fm在60度范围内不换相 Fa分解为d、q轴磁场 当转子磁场在B方向时去磁最大 当转子磁场在X方向时助磁最大 当转子磁场在BX中间位置时无去助磁 因此在一个60
8、度的磁状态内，电枢磁场从最大去 磁逐渐减小到30度处的不去磁不助磁，然后逐渐 增大到最大助磁状态后，换相、进入新的一个磁 状态 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?9.永磁无刷电机的电枢反应 助磁或去磁的最大值： Waa aaad NkIF FFF = =5 . 030sin 0 q轴电枢反应使得主磁场波形畸变： 对于径向充磁的转子，由于q轴磁阻大，q轴磁场 引起的畸变较小 对于切向充磁的转子，由于q轴磁阻小，q轴磁场 引起的畸变较大，使得永磁体前极尖助磁，后极 尖去磁 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?10.永磁无刷电机的运行特性 由于无刷永磁直流电机的稳态计算与直
9、流机类似，所以其运行特性 也与直流机类似 ?10.1 机械特性： 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?当转子采用径向式结构，电机电感较小，电阻作 用较大，电机具有硬的机械特性。1 ?当转子采用切向式结构，电机电感较大，机械特 性较软。3 ?一般介于两者之间2 ?10.1 机械特性： ?有刷直流电动机参与换向的绕组元件相对较少，只考虑电阻的影响，忽 略电感的作用。 ?无刷直流电动机参与换向的绕组为一相绕组，而不是单个线圈，电感 较大。当稀土木磁无刷直流电动机采用不同的转子结构时，电感和电阻 对机械特性的影响并不相同： 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?10.1 机械特性
10、： ?不同供电电压下，径向式结 构的水磁无刷电机的机械持 性曲线簇 下弯是由于电 流大、管压降 增大 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?10.2 调节特性10.2 工作特性 从机械待性和调节持性可以看出，稀土永磁无刷直流电动机具有和一般有 刷直流电动机一样好的控制性能，可以通过改变电源电压实现无级调速。 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11. 永磁无刷直流电机转矩脉动 转矩脉动是无刷电机在低速运行时的一项十分重要的性能 指标，通常高性能伺服系统的低速转矩脉动应小于3%。 造成转矩脉动的原因有： ?电磁因素引起的转矩脉动 ?电流换向引起的转矩脉动 ?齿槽引起的转矩脉
11、动 ?电枢反应影响 ?机械工艺引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动。 它与气隙磁通密度的分布和电流的波形以及绕组的形式有直接的关系， 为了便于分析，假定： (1)忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响； (2)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； (3)电机为二相导通星形三相六状态工作 ，气隙磁场方波。 由于电机在每一个磁状态(60度电角度)内的电磁作用是相同的，故以 下仅分析一个磁状态的转矩变化情况。 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩
12、脉动 方波宽： 120-180度 方波磁 场轴线 方波磁场轴 线变化范围 一个磁状态 60度 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 当a=90度时气隙磁场轴线 与通电绕组A、C空间轴 线重合，定转子磁场正 交，产生最大电磁转矩。 当a=60或120度时气隙磁 场，A、C相合成磁场， 对转子磁场产生最大直轴 去磁或增磁电枢反应、此 时电磁转矩为最小值。 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直
13、流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 反应了电磁转矩波动与方波磁密宽度的关 系，随宽度增加，转矩脉动单调下降。 当宽度=120时，转短脉动最大，达到30； 当宽度=180时，电磁转矩脉动为零 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机第二讲永磁无刷直流电机 ?11.2电流换向引起的转矩脉动 无刷直流电
