《无刷直流电动机》PPT课件.ppt
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1、第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 第第10章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 10.1 概述概述10.2 无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机的基本结构 10.3 无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机工作原理 10.4 无刷直流电动机的运行特性无刷直流电动机的运行特性 10.5 无刷直流电动机的电枢反应无刷直流电动机的电枢反应 10.6 改变无刷直流电动机转向的方法改变无刷直流电动机转向的方法 思考题与习题思考题与习题 第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 10.1 概概 述述 无无刷刷直直流流电电动动机机利利用用电电子子开开关关线线路路和和位位置置传传感感器器来来代
2、代替替电电刷刷和和换换向向器器,使使这这种种电电机机既既具具有有直直流流电电动动机机的的特特性性,又又具具有有交交流流电电动机结构简单、动机结构简单、运行可靠、运行可靠、维护方便等优点。维护方便等优点。转转速速不不再再受受机机械械换换向向的的限限制制,若若采采用用高高速速轴轴承承,还还可可以以在在高高达达每分钟几十万转的转速中运行。每分钟几十万转的转速中运行。无无刷刷直直流流电电动动机机用用途途非非常常广广泛泛:可可作作为为一一般般直直流流电电动动机机、伺伺服服电电动动机机和和力力矩矩电电动动机机等等使使用用,尤尤其其适适用用于于高高级级电电子子设设备备、机机器器人、人、航空航天技术、航空航天
3、技术、数控装置、数控装置、医疗化工等高新技术领域。医疗化工等高新技术领域。第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 图 10-1 无刷直流电动机的原理框图 无无刷刷直直流流电电动动机机是是由由电电动动机机、转转子子位位置置传传感感器器和和电电子子开开关关线线路三部分组成,路三部分组成,原理框图如图原理框图如图10-1所示。所示。直直流流电电源源通通过过开开关关线线路路向向电电动动机机定定子子绕绕组组供供电电,电电动动机机转转子子位位置置由由位位置置传传感感器器检检测测并并提提供供信信号号去去触触发发开开关关线线路路中中的的功功率率开关元件使之导通或截止,开关元件使之导通或截止,从而控制电
4、动机的转动。从而控制电动机的转动。第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 10.2 无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机的基本结构 图 10-2 无刷直流电动机的基本结构 第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 图图中中电电动动机机结结构构与与永永磁磁式式同同步步电电动动机机相相似似,转转子子是是由由永永磁磁材材料料制制成成一一定定极极对对数数的的永永磁磁体体,主主要要有有两两种种结结构构型型式式,如如图图10-3(a)和和(b)所示。所示。第第一一种种结结构构是是转转子子铁铁心心外外表表面面粘粘贴贴瓦瓦片片形形磁磁钢钢,称称为为凸凸极极式式;第第二二种种结结构构是是磁磁钢钢
5、插插入入转转子子铁铁心心的的沟沟槽槽中中,称称为为内内嵌嵌式式或或隐隐极极式式。图 10-3 永磁转子结构型式 初期永磁材料:初期永磁材料:铁氧体或铝镍钴铁氧体或铝镍钴现在:现在:高性能钐钴或钕铁硼。高性能钐钴或钕铁硼。第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 定定子子是是电电动动机机的的电电枢枢。定定子子铁铁心心中中安安放放着着对对称称的的多多相相绕绕组组,可可接接成成星星形形或或封封闭闭形形(角角形形),各各相相绕绕组组分分别别与与电电子子开开关关线线路路中中的的相相应应晶晶体体管管相相连连接接。电电子子开开关关线线路路有有桥桥式式和和非非桥桥式式两两种种。图图10-4表示常用的几种
6、电枢绕组连接方式。表示常用的几种电枢绕组连接方式。图 10-4 电枢绕组连接方式 第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 图 10-5 电磁式位置传感器(a)结构原理图;(b)剖面图 位置传感器作用:检测转子磁场相对于定子绕组的位置。位置传感器作用:检测转子磁场相对于定子绕组的位置。结构形式:电磁式、光电式和霍尔元件结构形式:电磁式、光电式和霍尔元件 10.2.1 电磁式电磁式 第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 电电磁磁式式传传感感器器的的结结构构如如图图10-5所所示示由由定定子子和和转转子子两两部部分分组组成成。定定子子磁磁心心及及转转子子上上的的扇扇形形部部分分均均
7、由由高高频频导导磁磁材材料料(如如软软磁磁铁铁氧氧体体)制制成成,导导磁磁扇扇形形片片数数等等于于电电机机极极对对数数,放放置置在在不不导导磁磁的的铝铝合合金金圆圆盘盘上上制制成成了了转转子子。传传感感器器定定子子由由磁磁心心和和线线圈圈组组成成,磁磁心心的的结结构构特特点点是是中中间间为为圆圆柱柱体体,安安放放励励磁磁绕绕组组,外外施施高高频频电电源源励励磁磁。圆圆周周上上沿沿轴轴向向有有凸凸出出的的极极,极极上上套套着着信信号号线线圈圈产产生生信信号号电电压压。可可以以看看出出,这这实实际际上上是是一一个个有有共共同同励励磁磁线线圈圈的的几几个个开开口口变变压压器器,扇扇形形导导磁磁片片的
8、的作作用用是是使使开开口口变变压压器器铁铁心心接接近闭合,近闭合,减少磁阻,减少磁阻,使信号线圈感应出较大的电势。使信号线圈感应出较大的电势。优点:优点:输出电压较大,一般不需放大器可直接控制晶体管导通。输出电压较大,一般不需放大器可直接控制晶体管导通。缺点:输出电压是交流,必须先作整流缺点:输出电压是交流,必须先作整流第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 图 10-6 光电式位置传感器 10.2.2 光电式光电式 光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成,固定在转子轴上的遮光盘所组成,如图如图10-
9、6所示。所示。第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 遮光盘上按要求开出光槽遮光盘上按要求开出光槽(孔孔),几个光电耦合开关沿着圆周均布,几个光电耦合开关沿着圆周均布,每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管(或激光器或激光器)和和光电管光电管(光电二极管,光电二极管,三极管或光电池三极管或光电池)所组成。所组成。红外发光二极红外发光二极管管(或激光器或激光器)通上电后,通上电后,发出红外光发出红外光(或激光或激光);当遮光盘随着当遮光盘随着转轴转动时,转轴转动时,光线依次通过光槽光线依次通过光槽(孔孔),使对着的光电管导通,使对着的光电
10、管导通,相应地产生反应转子相对定子位置的电信号,相应地产生反应转子相对定子位置的电信号,经放大后去控制功经放大后去控制功率晶体管,率晶体管,使相应的定子绕组切换电流。使相应的定子绕组切换电流。缺点:缺点:产生的电信号一般都较弱,产生的电信号一般都较弱,需要经过放大才能去控制功率晶体管。需要经过放大才能去控制功率晶体管。优点:输出的是直流电信号,优点:输出的是直流电信号,不必再进行整流。不必再进行整流。第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 图 10-7 霍尔无刷直流电动机原理图 第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 图 10-7 霍尔无刷直流电动机原理图 10.2.3 霍尔元
11、件霍尔元件 采采用用霍霍尔尔元元件件作作为为位位置置传传感感器器的的无无刷刷直直流流电电动动机机通通常常称称为为“霍霍尔尔无无刷刷直直流流电电动动机机”。图图10-7表表示示四四相相霍霍尔尔无无刷刷直直流流电电动动机原理图。机原理图。第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 图图中中两两个个霍霍尔尔元元件件H1和和H2以以间间隔隔90电电角角度度粘粘于于电电机机定定子子绕绕组组A和和B的的轴轴线线上上,并并通通上上控控制制电电流流,电电机机转转子子磁磁钢钢兼兼作作位位置置传传感感器器的的转转子子。当当电电机机转转子子旋旋转转时时磁磁钢钢N极极和和S极极轮轮流流通通过过霍霍尔尔元元件件H1
12、和和H2,因因而而产产生生对对应应转转子子位位置置的的两两个个正正的的和和两两个个负负的的霍霍尔尔电电势势,经经放放大大后后去去控控制制功功率率晶晶体体管管导导通通,使使四个定子绕组轮流切换电流。四个定子绕组轮流切换电流。霍霍尔尔无无刷刷直直流流电电动动机机结结构构简简单单,体体积积小小,但但安安置置和和定定位位不不便便,元元件件片片薄薄易易碎碎,对对环环境境及及工工作作温温度度有有一一定定要要求求,耐耐震震差。差。第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 10.3 无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机工作原理 10.3.1 三相非桥式星形接法三相非桥式星形接法 图图10-8表表示示一一
13、台台采采用用非非桥桥式式晶晶体体管管开开关关电电路路驱驱动动两两极极星星形形三三相绕组,相绕组,并带有电磁式位置传感器的无刷直流电动机。并带有电磁式位置传感器的无刷直流电动机。图 10-8 无刷直流电动机工作原理 第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 转转子子位位置置传传感感器器的的励励磁磁线线圈圈由由高高频频振振荡荡器器供供电电,通通过过导导磁磁片片的的作作用用使使信信号号线线圈圈获获得得较较大大的的感感应应电电压压,并并经经整整流流、放放大大加加到到开开关关电电路路功功率率管管的的基基极极上上使使该该管管导导通通,因因而而与与该管串联的定子绕组也就与外电源接通。该管串联的定子绕组
14、也就与外电源接通。由由于于导导磁磁片片与与电电动动机机转转子子同同轴轴旋旋转转,所所以以信信号号线线圈圈Wa、Wb、Wc依依次次得得电电,3 个个功功率率管管依依次次导导通通,使使定定子子三三相相绕组轮流通电。绕组轮流通电。第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 当电机转子处于图当电机转子处于图10-8瞬时,瞬时,位置传感器位置传感器PS的扇形导磁的扇形导磁片位于图示位置处,片位于图示位置处,它的信号线圈它的信号线圈Wa开始与励磁线圈相开始与励磁线圈相耦合,耦合,便有信号电压输出,便有信号电压输出,其余两个信号线圈其余两个信号线圈Wb、Wc的信号电压为的信号电压为0。线圈线圈Wa供出的
15、信号电压使晶体管供出的信号电压使晶体管V1开开始导通,始导通,而晶体管而晶体管V2、V3截止。截止。这样,这样,电枢绕组电枢绕组AX有有电流通过,电流通过,电枢磁场电枢磁场Ba的方向如图中所示。的方向如图中所示。电枢磁场与电枢磁场与永磁转子磁场相互作用就产生转矩,永磁转子磁场相互作用就产生转矩,使转子按顺时针方使转子按顺时针方向旋转。向旋转。第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 当电机转子在空间转过当电机转子在空间转过2/3电角度时,电角度时,位置传感器的扇形片也位置传感器的扇形片也转过同样角度,转过同样角度,从而使信号线圈从而使信号线圈Wb开始有信号电压输出,开始有信号电压输出,W
16、a、Wc的信号电压为的信号电压为0。Wb输出的信号电压便使晶体管输出的信号电压便使晶体管V2开始导通,开始导通,晶体管晶体管V1、V3截止。截止。这样,这样,电枢绕组电枢绕组BY有电流通过,有电流通过,电枢磁电枢磁场场Ba的方向如图的方向如图10-9(a)所示。所示。电枢磁场电枢磁场Ba与永磁转子磁场相与永磁转子磁场相互作用所产生的转矩,互作用所产生的转矩,使转子继续沿顺时针方向使转子继续沿顺时针方向旋转。旋转。图 10-9 电枢磁场与转子磁场间的相对位置 第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 图 10-9 电枢磁场与转子磁场间的相对位置 当转子在空间转过当转子在空间转过4/3电角度
17、后,电角度后,位置传感器使晶体管位置传感器使晶体管V3开始导通,开始导通,V1、V2截止,截止,相应电枢绕组相应电枢绕组CZ有电流通有电流通过。过。电枢磁场电枢磁场Ba的方向如图的方向如图10-9(b)所示,它与转子磁所示,它与转子磁场相互作用仍使转子按顺时针方向旋转。场相互作用仍使转子按顺时针方向旋转。第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 若转子继续转过若转子继续转过2/3电角度,电角度,回到原来的起始位置回到原来的起始位置(如图如图10-9(c),通过位置传感器将重复上述的换流情况,通过位置传感器将重复上述的换流情况,如此循如此循环下去,环下去,无刷直流电动机在电枢磁场与永磁转子
18、磁场的相无刷直流电动机在电枢磁场与永磁转子磁场的相互作用下,互作用下,能产生转矩并使电机转子按一定的转向旋转。能产生转矩并使电机转子按一定的转向旋转。图 10-9 电枢磁场与转子磁场间的相对位置 第第1010章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 在在三三相相星星形形非非桥桥式式的的无无刷刷直直流流电电动动机机中中,当当转转子子转转过过2电电角角度度时时,定定子子电电枢枢绕绕组组共共有有 3 个个通通电电状状态态;每每一一状状态态仅仅有有一一相相导导通通,定定子子电电流流所所产产生生的的电电枢枢磁磁场场在在空空间间跳跳跃跃着着转转动动,相相应应地地在在空空间间也也有有 3 个个不不同同的的位位置置
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