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1、永磁无刷直流电机,一、问题的提出 直流电动机虽然具有优良的调速和起动特性，但由于存在电刷和换向器，需要经常性维护，并且会产生火花和电磁干扰，限制了它的应用范围。 近年发展起来的无刷直流电动机就是为了克服换向器和电刷的滑动接触而发展起来的新型直流电动机。,磁极静止，电枢旋转 f=IBla，这个力形成电磁转矩 根据左手定则，线圈在这个转矩作用下将按逆时针方向旋转 当载流导体转过180度后，借助电刷-换向片改变导体中电流方向,二、无刷直流电动机的工作原理,传统直流电动机的工作原理,直流电动机的不足,电刷的磨损与维护； 机械式换向火花，限制了应用场合； 难以实现高速运行；,解决措施：,要点总结,电刷和
2、换向器起到了与转子位置有关的机械式逆变器作用； 定子侧的直流励磁磁势和转子电枢磁势两者相对静止且相互垂直；,通过电力电子式逆变器完成直流到交流的转换； 通过转子位置传感器检测转子位置，完成换向片与电刷的作用，以决定换流时刻； 考虑到实现的方便性，定、转子位置颠倒，组成反装式直流电动机。,定子磁极，采用集中绕组,转子磁极,转子位置检测,驱动电路，逆变器组成电子开关,机电一体化产品,无刷直流电动机原理,电机本体,电机本体,转子位置检测,电子开关,永磁无刷直流电动机的原理框图,定子绕组采用整距、集中绕组,永磁体粘接至转子表面，呈隐极式结构,电动机本体,(a),逆变器结构,星形三相三状态,星形三相六状
3、态,星形四相四状态,封闭三相六状态,正交两相四状态封闭四相四状态,转子位置传感器 (1) 磁敏式位置传感器霍尔元件,外形电路原理开关特性 霍尔集成电路,(2)电磁式位置传感器,高频励磁输入,输出绕组,转子磁心,定子磁心,(3)光电式位置传感器,遮光盘,一相导通星形三相三状态,1）H1受光，V1导通，A相流过电流，产生磁势Fa。 电流路径：电源正极A相绕组V1管电源负极。 2）电机顺时针转过120度后，H1被遮光，H2受光，V1关断，V2导通，B相绕组通入电流，产生磁势Fb。 3）再转过120度，C相导通。,A相通电,B相通电,C相通电,A相通电,上述过程可以看成按一定顺序换相通电的过程，或者磁
4、场旋转的过程，定子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁场是跳跃运动的，一周内有三种状态，每种磁场状态持续120，他们跟踪转子并与转子的磁场相互作用，产生驱使转子旋转的电磁转矩。,150,30,转子每转过120度，功率管换流一次，定子磁场状态就改变一次，电机有三个磁状态。每个功率管导通120度（1/3周期）。磁场为跳跃式步进磁场。因此，所产生的电磁转矩为脉动转矩。减小转矩脉动的方法是增加一周内的磁状态数，如二相导通六状态。,A相通电,B相通电,C相通电,A相通电,150,30,二相导通星形六状态,每隔60换流一次; 任何瞬时有两只开关器件同时导通； 每个开关器件导通 120,由此绘出一个周期内定子三相
5、绕组在不同时刻三相电流所产生的定子合成磁势与转子永磁磁势之间的关系如图所示。,在一个周期内三相定子绕组在空间共产生六个定子合成磁势； 转子每转过 电角度，定子绕组则换流一次，相应的定子合成磁势就跳变一次。每个定子合成磁势在时间上持续1/6周期（ 电角度）； 在这六个连续跳变的定子合成磁势作用下，转子永磁磁势随转子旋转； 尽管定子合成磁势是跳变的，但其平均转速却与转子转速保持同步，亦即在平均意义上 与 相对静止。从而保证了有效电磁转矩的产生，而且转子转速为同步速。 电枢磁势在与转子磁极轴线垂直的 电角度范围内变化，亦即使两者之间的夹角在 范围内变化。 这样，无论是在开关器件导通过程中还是在换流瞬
6、间， 与 之间的夹角在平均意义上接近 ，亦即在平均意义上互相垂直。,结论：,三相六状态绕组与开关管导通顺序表120导通型,永磁无刷直流电动机逆变器的各种控制方式,“ 导通型”（两两导通控制方式）； “ 导通型”（三三导通控制方式）； “ 导通型”（两三轮流导通控制方式）；,A.三三导通控制方式(又称为 导通型),开关规律：,每隔 换流一次； 任何瞬时有三只开关器件同时导通； 每个开关器件导通 。,相应的定子合成磁势的空间矢量为：,图10.20 无刷直流电动机的定子合成磁势( 导通型),B.两三导通控制方式(又称为 导通型),每隔 换流一次； 任何瞬时有三只开关器件同时导通，然后变为两只开关器件
7、同时导通，再变回三只开关器件同时导通，； 每个开关器件导通150。,开关规律：,即：,图10.21 无刷直流电动机的定子合成磁势( 导通型),相应的定子合成磁势的空间矢量为：,永磁无刷直流电动机的调速,改变逆变器直流侧的输入电压实现调压,并利用来自位置传感器的转子信息控制逆变器的频率，调节转子转速； 保持逆变器直流侧输入电压不变，利用来自转子位置传感器的转子信息和PWM斩波控制同时调节逆变器的频率和电压，调节转子转速。,采用PWM电压和电流控制方式,单片机控制永磁无刷直流电动机原理图,2. 正、反转控制 有刷电机：改变励磁磁场的极性或电枢电压的极性。 无刷电机：原理相同，但因功率管的单向导电性
8、，不能靠简单地改变电源电压极性使电机反转，而是通过改变绕组的通电顺序来改变电机转向。,二相导通方式传感器信号与功率管开关导通逻辑关系,2. 无位置传感器控制 无位置传感器控制是指无机械式位置传感器，即不在无刷直流电动机的定子上直接安装位置传感器来检测转子位置,而是通过一个检测电路，从硬件和软件两方面来间接获取转子位置信号。检测得到转子位置信号以后的控制方法，与有位置感器控制方法相同。,无刷电机专用驱动电路 MC33035,无刷电机专用驱动电路 MC33035,无刷电机专用驱动电路TDA1621,LM621的原理框图,LM621的换相译码真值表,无刷电机专用驱动电路TDA1621,无位置传感器无
9、刷电机专用驱动芯片TDA5142T,永磁无刷直流电动机调速系统的组成,无刷直流电动机采用PWM反馈控制方式的闭环调速系统,永磁同步电动机的分类,正弦波永磁同步电动机,方波永磁同步电动机,PMSM permanent magnetic synchronous motor,BLDCM brushless direct-current motor,永磁同步电动机的优缺点：,功率密度高 转子的转动惯量小 运行效率高 转轴上无滑环和电刷,转子励磁无法灵活控制 永磁体存在失磁现象 转子磁势受环境温度影响 滞后定子功率因数,正弦波永磁同步电动机的结构,定子三相绕组采用正弦绕组,三相逆变器提供定子绕组的三相对
10、称电流产生旋转磁场,光电式编码器或旋转变压器,定子三相绕组采用正弦绕组; 由三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生旋转磁场,拖动永磁转子同步旋转; 定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转速取决于转子的实际位置和转速; 转子的实际位置和转速由光电式编码器或旋转变压器获得;,正弦波PMSM属于自控式、无刷结构同步电动机,一种典型的正弦波永磁同步电动机调速系统框图,正弦波PMSM调速系统的组成,定子绕组采用整距、集中绕组； 永磁体粘接至转子表面，呈隐极式结构；,永磁无刷直流电动机结构特点：,图10.16 永磁无刷直流电动机的主磁场磁密波形图,永磁无刷直流电动机 定子绕组感应的相电势和电流波形,
11、方波电流,永磁同步电动机的发展前景,更高的节能效果。永磁同步电动机采用永磁体励磁，无需励磁电流，所以可以显著提高功率因数。定子电流小，转子无铜耗。比一般的异步电动机效率提高2%8%，尤其轻载运行节能效果显著。 可满足某些工业需求大的启动转矩和最大转矩倍数的要求。 低速驱动的需求。为了提高控制精度，减少震动噪音，也为了大转矩驱动要求，近年来对低速电动机的需求不断增长，如：电梯拖动用永磁同步曳引机，转矩提高十几倍，取消了庞大的齿轮箱，通过曳引轮直接拖动轿厢，明显减小了噪音和震动；又如：船用吊舱式电力推动器，将低速大转矩永磁同步电动机置于船舱外的吊舱，无需原来的传动系统，直接驱动螺旋桨。四门子公司吊舱式推进器中PMSM容量已达30000KW。 高功率密度的要求。舰船、车辆受体积限制，要求电动机要有高功率密度、高转矩密度。,永磁同步电动机由于无需励磁绕组，空间结构小，高性能的汝铁硼永磁材料具有高剩余磁感应强度和高矫顽力。 5.运动控制系统的要求。目前电气传动系统已经从简单的速度控制发展到运动轨迹控制，由于永磁同步电动机比异步电动机更容易实现磁场定向的矢量控制，因此近年来有永磁同步伺服电动机系统构成的高精度数控机床、机器人等高科技设备的主流。其控制进度可达10000：1的调速范围和12%的转矩波动。,
