chap07永磁無刷直流電機(jī)42059課件

永磁無刷直流電機(jī)7.永磁無刷直流電機(jī)一、問題的提出直流電動機(jī)雖然具有優(yōu)良的調(diào)速和起動特性，但由于存在電刷和換向器，需要經(jīng)常性維護(hù)，并且會產(chǎn)生火花和電磁干擾，限制了它的應(yīng)用范圍。近年發(fā)展起來的無刷直流電動機(jī)就是為了克服換向器和電刷的滑動接觸而發(fā)展起來的新型直流電動機(jī)。7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院磁極靜止，電樞旋轉(zhuǎn)f=IBla，這個力形成電磁轉(zhuǎn)矩根據(jù)左手定則，線圈在這個轉(zhuǎn)矩作用下將按逆時針方向旋轉(zhuǎn)當(dāng)載流導(dǎo)體轉(zhuǎn)過180度后，借助電刷-換向片改變導(dǎo)體中電流方向7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院二、無刷直流電動機(jī)的工作原理傳統(tǒng)直流電動機(jī)的工作原理7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院直流電動機(jī)的不足電刷的磨損與維護(hù)；機(jī)械式換向火花，限制了應(yīng)用場合；難以實現(xiàn)高速運行；解決措施：要點總結(jié)

電刷和換向器起到了與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的機(jī)械式逆變器作用；定子側(cè)的直流勵磁磁勢和轉(zhuǎn)子電樞磁勢兩者相對靜止且相互垂直；通過電力電子式逆變器完成直流到交流的轉(zhuǎn)換；通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，完成換向片與電刷的作用，以決定換流時刻；考慮到實現(xiàn)的方便性，定、轉(zhuǎn)子位置顛倒，組成反裝式直流電動機(jī)。7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院定子磁極，采用集中繞組轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)子位置檢測驅(qū)動電路，逆變器組成電子開關(guān)機(jī)電一體化產(chǎn)品無刷直流電動機(jī)原理電機(jī)本體電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置檢測電子開關(guān)永磁無刷直流電動機(jī)的原理框圖7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院定子繞組采用整距、集中繞組永磁體粘接至轉(zhuǎn)子表面，呈隱極式結(jié)構(gòu)逆變器結(jié)構(gòu)星形三相三狀態(tài)星形三相六狀態(tài)7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院星形四相四狀態(tài)封閉三相六狀態(tài)正交兩相四狀態(tài) 封閉四相四狀態(tài)7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院轉(zhuǎn)子位置傳感器(1)磁敏式位置傳感器—霍爾元件7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院(2)電磁式位置傳感器7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院高頻勵磁輸入輸出繞組轉(zhuǎn)子磁心定子磁心7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院(3)光電式位置傳感器遮光盤一相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)1）H1受光，V1導(dǎo)通，A相流過電流，產(chǎn)生磁勢Fa。電流路徑：電源正極—A相繞組—V1管—電源負(fù)極。2）電機(jī)順時針轉(zhuǎn)過120度后，H1被遮光，H2受光，V1關(guān)斷，V2導(dǎo)通，B相繞組通入電流，產(chǎn)生磁勢Fb。3）再轉(zhuǎn)過120度，C相導(dǎo)通。7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過120度，功率管換流一次，定子磁場狀態(tài)就改變一次，電機(jī)有三個磁狀態(tài)。每個功率管導(dǎo)通120度（1/3周期）。磁場為跳躍式步進(jìn)磁場。因此，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為脈動轉(zhuǎn)矩。減小轉(zhuǎn)矩脈動的方法是增加一周內(nèi)的磁狀態(tài)數(shù)，如二相導(dǎo)通六狀態(tài)。7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院A相通電B相通電C相通電A相通電150°30°二相導(dǎo)通星形六狀態(tài)7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院每隔60°換流一次;

任何瞬時有兩只開關(guān)器件同時導(dǎo)通；每個開關(guān)器件導(dǎo)通

120°

7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院

由此繪出一個周期內(nèi)定子三相繞組在不同時刻三相電流所產(chǎn)生的定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子永磁磁勢之間的關(guān)系如圖所示。在一個周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個定子合成磁勢；轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過電角度，定子繞組則換流一次，相應(yīng)的定子合成磁勢就跳變一次。每個定子合成磁勢在時間上持續(xù)1/6周期（電角度）；在這六個連續(xù)跳變的定子合成磁勢作用下，轉(zhuǎn)子永磁磁勢隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；盡管定子合成磁勢是跳變的，但其平均轉(zhuǎn)速卻與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步，亦即在平均意義上與相對靜止。從而保證了有效電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，而且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步速。電樞磁勢在與轉(zhuǎn)子磁極軸線垂直的電角度范圍內(nèi)變化，亦即使兩者之間的夾角在~范圍內(nèi)變化。

這樣，無論是在開關(guān)器件導(dǎo)通過程中還是在換流瞬間，與之間的夾角在平均意義上接近，亦即在平均意義上互相垂直。結(jié)論：7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院三相六狀態(tài)繞組與開關(guān)管導(dǎo)通順序表120°導(dǎo)通型7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院相應(yīng)的定子合成磁勢的空間矢量為：圖10.20無刷直流電動機(jī)的定子合成磁勢(導(dǎo)通型)7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院B.兩三導(dǎo)通控制方式(又稱為導(dǎo)通型)每隔換流一次；任何瞬時有三只開關(guān)器件同時導(dǎo)通，然后變?yōu)閮芍婚_關(guān)器件同時導(dǎo)通，再變回三只開關(guān)器件同時導(dǎo)通，……；

每個開關(guān)器件導(dǎo)通150°。

開關(guān)規(guī)律：即：7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院圖10.21無刷直流電動機(jī)的定子合成磁勢(導(dǎo)通型)相應(yīng)的定子合成磁勢的空間矢量為：7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院永磁無刷直流電動機(jī)的調(diào)速改變逆變器直流側(cè)的輸入電壓實現(xiàn)調(diào)壓,并利用來自位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息控制逆變器的頻率，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；保持逆變器直流側(cè)輸入電壓不變，利用來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息和PWM斬波控制同時調(diào)節(jié)逆變器的頻率和電壓，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院采用PWM電壓和電流控制方式7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院單片機(jī)控制永磁無刷直流電動機(jī)原理圖

2.正、反轉(zhuǎn)控制有刷電機(jī)：改變勵磁磁場的極性或電樞電壓的極性。無刷電機(jī)：原理相同，但因功率管的單向?qū)щ娦?，不能靠簡單地改變電源電壓極性使電機(jī)反轉(zhuǎn)，而是通過改變繞組的通電順序來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院二相導(dǎo)通方式傳感器信號與功率管開關(guān)導(dǎo)通邏輯關(guān)系正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)H1H2H3導(dǎo)通管H1H2H3導(dǎo)通管101V1V2101V4V5100V2V3001V3V4110V3V4011V2V3010V4V5010V1V2011V5V6110V6V1001V6V1100V5V67.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院2.無位置傳感器控制

無位置傳感器控制是指無機(jī)械式位置傳感器，即不在無刷直流電動機(jī)的定子上直接安裝位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置,而是通過一個檢測電路，從硬件和軟件兩方面來間接獲取轉(zhuǎn)子位置信號。檢測得到轉(zhuǎn)子位置信號以后的控制方法，與有位置感器控制方法相同。7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院無刷電機(jī)專用驅(qū)動電路MC330357.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院無刷電機(jī)專用驅(qū)動電路MC330357.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院無刷電機(jī)專用驅(qū)動電路TDA1621LM621的原理框圖LM621的換相譯碼真值表7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院無刷電機(jī)專用驅(qū)動電路TDA16217.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院無位置傳感器無刷電機(jī)專用驅(qū)動芯片TDA5142T7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院永磁無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成無刷直流電動機(jī)采用PWM反饋控制方式的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院永磁同步電動機(jī)的分類正弦波永磁同步電動機(jī)方波永磁同步電動機(jī)PMSMpermanentmagneticsynchronousmotorBLDCMbrushlessdirect-currentmotor7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院永磁同步電動機(jī)的優(yōu)缺點：功率密度高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小運行效率高轉(zhuǎn)軸上無滑環(huán)和電刷

轉(zhuǎn)子勵磁無法靈活控制永磁體存在失磁現(xiàn)象轉(zhuǎn)子磁勢受環(huán)境溫度影響滯后定子功率因數(shù)7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院正弦波永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)定子三相繞組采用正弦繞組三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場光電式編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院定子三相繞組采用正弦繞組;由三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,拖動永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn);定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實際位置和轉(zhuǎn)速;轉(zhuǎn)子的實際位置和轉(zhuǎn)速由光電式編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器獲得;正弦波PMSM屬于自控式、無刷結(jié)構(gòu)同步電動機(jī)7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院一種典型的正弦波永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖正弦波PMSM調(diào)速系統(tǒng)的組成7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院定子繞組采用整距、集中繞組；永磁體粘接至轉(zhuǎn)子表面，呈隱極式結(jié)構(gòu)；永磁無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點：圖10.16永磁無刷直流電動機(jī)的主磁場磁密波形圖7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院永磁無刷直流電動機(jī)定子繞組感應(yīng)的相電勢和電流波形方波電流7.永磁無刷直流電機(jī)河南科技大學(xué)電信學(xué)院永磁同步電動機(jī)的發(fā)展前景更高的節(jié)能效果。永磁同步電動機(jī)采用永磁體勵磁，無需勵磁電流，所以可以顯著提高功率因數(shù)。定子電流小，轉(zhuǎn)子無銅耗。比一般的異步電動機(jī)效率提高2%~8%，尤其輕載運行節(jié)能效果顯著?？蓾M足某些工業(yè)需求大的啟動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的要求。低速驅(qū)動的需求。為了提高控制精度，減少震動噪音，也為了大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動要求，近年來對低速電動機(jī)的需求不斷增長，如：電梯拖動用永磁同步曳引機(jī)，轉(zhuǎn)矩提高十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過曳引輪直接拖動轎廂，明顯減小了噪音和震動；又如：船用吊艙式電力推動器，將低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機(jī)置于船艙外的吊艙，無需原來的傳動系統(tǒng)，直接驅(qū)動螺旋槳。四門子公司吊艙式推進(jìn)器中PMSM容量已達(dá)30000KW。高功率密度的要求。艦船、車輛受體積限制，要求電動機(jī)要有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度。