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1、第九章 无刷直流电动机,直流电动机的优点: 机械特性和调节特性的线性度好，堵转转矩大，控制方法简单。 缺点:是有换向器和电刷。 交流伺服电动机的优点:是没有换向器和电刷，维护方便，无火花，无电磁干扰，能在恶劣的环境下可靠工作。 缺点:是机械特性和调节特性具有非线性，转矩小，效率低。 因此，人们很早就开始探索直流电动机的无刷化，以使它同时具有直、交流电动机的优点。随着电力电子技术的发展，无刷直流电动机已经得以实现。,9一1无刷直流电动机的结构 无刷直流电动机通常是由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成。它的原理方框图和简要的结构图如图9一1和图9一2所示。,2,效果演示,9一1无刷直流
2、电动机的结构,普通永磁直流电动机的电枢在转子上，永磁磁极在定子上。而无刷直流电动机与此相反，它的电枢在定子上，永磁磁极在转子上，与同步电动机相似。 无刷直流电动机中的位置传感器的作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置，并在确定的相对位置上发出信号控制功率放大元件，使定子绕组中的电流进行切换。从原理上说，与转子安装在同一个轴上的任何一种角位移传感器都可以作无刷电机的位置传感器用。如光电位置传感器、电磁式位置传感器和磁敏式传感器。下面以电磁式位置传感器为例，对其原理予以简单的介绍,第九章 9-1无刷直流电动机的结构,电磁式位置传感器的原理如图9一3所示。它由定子1和转子2两部分组成。定子铁心及转子
3、上的扇形部分（即图中a部分）均由高频导磁材料做成。在定子铁心上也分成与电动机定子绕组相对应的相数，每相都嵌有输人线圈和输出线圈，并在输人线圈中外施高频电源励磁。转子与电机同轴联接。,9一1无刷直流电动机的结构,当转子的扇形部分转到使定子于某相的输入和输出线圈相藕合的位置时，该相输出线圈就有电压信号输出（在图9一3所示的位置，则Na线圈有电压信号输出），而其余未藕合的线圈则无电压信号输出。利用输出电压信号就可以去导通与电动机定子绕组相应的晶体管，进行 电流切换。,第九章 9-1无刷直流电动机的结构,3,随着转子扇形部分的位置变化，便可依次使定子绕组进行换流，并产生超前转子的步进式旋转磁场，于是电
4、动机就旋转起来。 电磁式位置传感器的输出电压较大，通常不需要再经过放大器便可直接用来导通晶体管。但因输出电压是交流，必须先进行整流。,第九章 9-1无刷直流电动机的结构,一般所说的无刷直流电动机是指采用晶体管作为电子换向开关元件的电动机。而在容量较大、电 压较高的场合，通常采用晶闸管作为开关元件，则被称为无换向器电动机。,第九章 9-1无刷直流电动机的结构,无刷电机的电枢绕组是多相绕组，可接成星形或角形（封闭形），各相绕组分别与晶体管开关电路中的功率开关元件连接，如图9一2所示。其中A相与晶体管T1，B相与晶体管T2，C相与晶体管T3相接。,第九章 9-1无刷直流电动机的结构,通过位置传感器测
5、量转子的准确位置，使各晶体管在转子的适当位置导通和截止，从而控制各电枢绕组的电流随着转子位置的改变按一定的顺序进行换流，保证了每个磁极下电流的方向，实现了无电刷的无接触式换向,晶体管开关电路有桥式和非桥式两种，图9一2中的开关电路为非桥式电路。非桥式电路的接线法和电路参数如表9-1所列。,表1,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,一、电磁转矩的产生 无刷直流电动机中，来自位置传感器的驱动信号，按照一定的规律，使某些功率元件在某一瞬时导通或截止，从而接通或断开相应的电枢绕组中的电流。电枢绕组内电流导通或断开的变化过程称为换流。,下面以采用非桥式晶体管开关电路进行换流的两极三相绕组，并带有电磁
6、式位置传感器的无刷直流电动机为例，说明产生电磁转矩的基本原理。电动机的结构简图见图9一2和图9一3.,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,在图9一4中表示电动机转子在几个不同位置时，定子电枢绕组的通电状况。通过电枢绕组磁动势和转子绕组磁动势的相互作用，来分析电动机电磁转矩的产生。,(1)当电机转子处于图9 -4(a)的瞬间，位置传感器PS的扇形导磁部分位于图示位置处，它的输出线圈Na,开始与输入线圈相藕合，便有电压信号输出，其余两个输出线圈Nb , Nc.的输出电压为零,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,由PS给出的信号使晶体管T1开始导通（见图9-2)，而晶体管T2,T3,截止这样
7、，电枢绕组AX 有电流流过，电枢磁动势Fa的方向如图所示电枢磁动势Fa 和转子磁动势相互作用就产生电磁转矩，并使转子沿顺时方向旋转,(2)当电机转子在空间转过2/3 rad(电角）时，位置传感器的扇形导磁部分也转过同样的角度，从而使输出线圈Nb。开始有电压信号输出，其余两个输出线圈Na, Nc。的输出电压为零。,由PS产生的信号便使晶体管T2开始导通（见图9一2)，晶体管T1 , T3,截止。这样，电枢绕组BY有电流流过，电枢磁动势的方向如图9一4(b)所示。电枢磁动势Fa和转子磁动势相互作用所产生的电磁转矩，使转子继续沿顺时针方向旋转。,(3)当电机转子在空间转过4/3 rad(电角）时，同
8、理传感器PS使晶体管T3开始导通，晶体管T1、T2截止，相应电枢绕组CZ有电流通过，电枢磁动势Fa的方向如图9-4（c）所示。,并由它与转子磁动势相互作用产生转矩，仍使转子沿顺时针方向旋转。 若电机转子继续转过2/3 rad(电角），又回到原来的起始位置，同样通过位置传感器，再次重复上述的换流情况。如此循环进行，无刷直流电动机在电枢磁动势和转子磁动势的相互作用下，产生转矩并使电机转子按一定的转向旋转。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,二、定子绕组的通电状态 由上述分析可以看出，在三相非桥式晶体管开关电路换流的无刷直流电动机中，当转子转过2 rad（电角）时，定子绕组共有三个通电状态，每
9、一状态仅有一相导通，而其它两相截止，其持续时间应为转子转过2n/3 rad(电角）所对应的时间。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,各相绕组与晶体管导通顺序的关系如表9一2所列。各相绕组中电流的波形如图9一5所示。上述三相非桥式电路的通电方式称为一相导通星形三相三状态,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,表,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,显然，定子绕组电流所产生的电枢磁动势，在转子转过2 rad电角）时也有三个不同位置。每个位置所持续的时间即为转子转过 2/3rad（电角）所对应的时间。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,所以电枢磁动势的运动形式与连续旋转的转子磁动势
10、不同，它在空间是跳跃着转动。 现在看另一台两极三相绕组的无刷电机。它采用如图 9一6所示的桥式开关电路。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,它的电磁式位置传感器如图9一7所示，图中N1 N6为传感器的输出线圈，输入线圈（又称励磁线圈）图中未画。这时，三相绕组和晶体管元件导通顺序的关系如表9一3所列，表中ac表示导通角。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,电枢磁动势相量图 如图9一8所示。可以看出，电机有6个通电状态。每一状态所持续的时间应为转子转过（/3) rad(电角）的时间，且每一状态都是两相同时导通。三相电机的这种通电方式称为两相导通星形三相六状态。,第九章 9-2无刷直流电
11、动机的工作原理,当转子转过2 rad(电角）时，电枢磁动势在空间有六个不同位置，相邻的两个磁动势向量夹角为（3)rad(角）。 由上可知，与步进电机相似，无刷直流电机也可以具有不同的通电方式。在每种通电状态 中，可以是一相绕组通电，也可以是两相或多相绕组同时通电。无刷电机也有类似于步进电动机的“单拍制”和“双拍制”。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,总之，无刷直流电动机在通电后，电枢绕组在位置传感器的信号控制下，根据转子的位置不断使定子绕组换流，使定子绕组产生一个步进式的旋转磁场。在该旋转磁场的作用下，永磁转子就连续不断地旋转起来。 无刷直流电动机每相绕组通电时，转子所转过的空间电角度
12、称为导通角，记为ac。转子位置传感器的扇形片张角ap（见图9-7)应该等于ac.导通角ac和传感器张角ap与电机电枢绕组的形式，开关电路的形式和通电方式有关。对于三相和四相电机，有 acap2/m（rad） (9一1） 式中m为电机相数。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,表9一1给出了几种情况下的导通角ac和张角ap.表中所给数据，是在某一相绕组通电和相应的另一相绕组截止同时发生的情况下得出的。实际上，通常为了保证前后两个通电状态之间不出现间断，需要一个短暂的重叠时间，这就必须使ap略大于表中所给出的理论计算值。 无刷直流电动机中的电枢磁动势在空间保持某一状态时，转子所转过的空间电角度
13、（即定子上前后出现两个不同磁动势状态时，它们的轴线所夹的电角度）称为磁状态角，或称状态，记为am。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,状态角取决于转子转过2 rad(电角）期间通电的状态数，有 am=2/mK (rad) (9-2) 式中：m电枢绕组的相数； K电枢绕组导通的状态系数。 mK是转子转过2（rad）的状态数。一般取K=1或K2。 几种不同情况下无刷直流电动机的磁状态角见表9一1。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,三、转矩的脉动 直流电动机的电磁转矩可以认为是定子的电枢磁动势和转子磁动势相互作用所产生的 若略去铁心磁路饱和的影响和磁动势的高次谐波，可用下式进行计算 T
14、emKFaFrsin Tm sin (9一3） 式中：K常数； Fa定子电枢磁动势； Fr转子磁动势； 电枢磁动势和转子磁动势轴线间的夹角 （电角度）； Tem=KFf Fr电磁转矩的幅值。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,由于无刷直流电动机电枢磁动势凡在空间是跳跃式转动的，因而它与连续旋转的转子磁动势轴线间的夹角就不是一个固定值。在三相非桥式的两极电机中，是在1500-300范围内连续变化；而在三相桥式时，角则在1200-600范围内连续变化。这样，电机的电磁转矩也将随着角的变化而波动，可认为随 角呈正弦函数变化，其最大值出现在600-900时。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原
15、理,电磁转矩的波动与定子绕组的相数和晶体管开关电路的形式有关。若相数越多，则电机的电磁转矩的脉动就越小，而且晶体管元件接成三相桥式电路时，电磁转矩的脉动小于三相非桥式电路的情况。图9-9中表示了非桥式电路与桥式电路两种情况下转矩脉动的比较。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,但是，当电机选用的定子相数越多，它的转子位置检测元件和晶体管元件的数目也相应增多，开关电路也就越复杂，这样将使电机工作的可靠性降低并增加其成本。所以，通常电机定子绕组相数不宜过多，以36相较为合适。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,四、电机反转 普通直流电动机中，由于机械换向器的导电方向是可逆的，只要变换供电
16、电源的极性，就能使电枢绕组中的电流反向，实现电机的反转。而在无刷电机中，倒转往往并不这样简单，仅仅改变电源极性一般是不够的，还要采用其它措施。无刷直流电动机旋转方向的改变和步进电动机很相似，都是通过改变绕组的通电顺序来实现的，但两者的途径不同。,第九章 9-2无刷直流电动机的工作原理,步进电动机转向的改变是通过环形分配器输出信号相序的改变来实现。而无刷电动机则不同，它的绕组通电顺序的改变，是通过位置传感器输出信号的改变来实现。 为了使电机能正、反方向旋转，往往要求功放电路能根据不同转向向电机绕组提供不同方向的电流，这时就不能采用一般的非桥式电路，因为这种电路只能提供单方向电流。由晶体管组成的桥式电路可以提供不同方向的电流，所以它在可逆转的无刷电机电路中应用较多。,
