无刷直流电动机(2).ppt
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1、第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机控制电控制电机机第一节第一节第一节第一节 无刷直流电动机的组成及原理无刷直流电动机的组成及原理无刷直流电动机的组成及原理无刷直流电动机的组成及原理第二节第二节第二节第二节 无刷直流电动机的电枢反应无刷直流电动机的电枢反应无刷直流电动机的电枢反应无刷直流电动机的电枢反应第三节第三节第三节第三节 无刷直流电动机的运行特性无刷直流电动机的运行特性无刷直流电动机的运行特性无刷直流电动机的运行特性第四节第四节第四节第四节 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动*第五节第五节第五节第五节 无刷直流电动机的选
2、用无刷直流电动机的选用无刷直流电动机的选用无刷直流电动机的选用1 直流电动机由于调速性能好、堵转转矩大等优点而直流电动机由于调速性能好、堵转转矩大等优点而在各种运动控制系统中等到广泛应用,但是直流电动机在各种运动控制系统中等到广泛应用,但是直流电动机具有电刷和换向器装置,运行时所形成的具有电刷和换向器装置,运行时所形成的机械摩擦机械摩擦严重严重影响了电机的精度和可靠性,因摩擦而产生的火花还会影响了电机的精度和可靠性,因摩擦而产生的火花还会引起无线电干扰。电刷和换向器装置使直流电动机结构引起无线电干扰。电刷和换向器装置使直流电动机结构复杂、噪音大,维护也比较困难。所以,长期以来人们复杂、噪音大,
3、维护也比较困难。所以,长期以来人们在不断寻求在不断寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机2 随着电子技术、随着电子技术、计算机技术和永磁材料的迅速发计算机技术和永磁材料的迅速发展,诞生了无刷直流电动机。这种电动机是典型的展,诞生了无刷直流电动机。这种电动机是典型的机电机电一体化产品一体化产品,它利用电子开关线路和位置传感器来代替,它利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器,电刷和换向器,既具有直流电动机的运行特性,又具有既具有直流电动机的运行特性,又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。交流电动
4、机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。另另外,它的转速不再受机械换向的限制,可以制成转速高外,它的转速不再受机械换向的限制,可以制成转速高达每分钟几十万转的高速电动机。达每分钟几十万转的高速电动机。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机3第一节第一节 无刷直流电动机的组成及原理无刷直流电动机的组成及原理一、基本组成一、基本组成第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机41.1.电动机本体电动机本体第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机5第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机62.2.电子开关线路电子开关线路第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机73.3.转子位置传感器转子位置传
5、感器 位置传感器也是无刷直流电动机的重要组成部分,位置传感器也是无刷直流电动机的重要组成部分,其作用是检测转子磁场相对于定子各相绕组的位置,以其作用是检测转子磁场相对于定子各相绕组的位置,以确定各相绕组导通和关断的顺序。它有多种结构形式,确定各相绕组导通和关断的顺序。它有多种结构形式,常见的有常见的有电磁式电磁式、光电式光电式和和霍尔元件式霍尔元件式,其基本原理可,其基本原理可参阅有关检测技术的书籍。参阅有关检测技术的书籍。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机8二、工作原理二、工作原理 与普通结构的永磁直流电动机不同,在无刷直流电与普通结构的永磁直流电动机不同,在无刷直流电动机中,动机中
6、,电枢绕组放置在定子上,永磁体则放置在转子电枢绕组放置在定子上,永磁体则放置在转子上上。定子各相电枢绕组相对于转子永磁体的位置,由转。定子各相电枢绕组相对于转子永磁体的位置,由转子位置传感器通过电子方式或电磁方式所感知,并利用子位置传感器通过电子方式或电磁方式所感知,并利用其输出信号,通过电子开关线路,按照一定的逻辑程序其输出信号,通过电子开关线路,按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连接的电力电子开关器件,把电流去驱动与电枢绕组相连接的电力电子开关器件,把电流导通到相应的电枢绕组。导通到相应的电枢绕组。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机9 随着转子的连续旋转,位置传感器不断地发送转子
7、随着转子的连续旋转,位置传感器不断地发送转子位置信号,使电枢绕组不断地依次通电,不断地改变通位置信号,使电枢绕组不断地依次通电,不断地改变通电状态,从而使得转子各磁极下电枢导体中流过电流的电状态,从而使得转子各磁极下电枢导体中流过电流的方向始终不变。方向始终不变。这就是无刷直流电动机电子换向的实这就是无刷直流电动机电子换向的实质。质。下面就以下面就以三相导通三相星形六状态三相导通三相星形六状态的无刷直流电动的无刷直流电动机为例(图机为例(图6-5),进一步说明无刷直流电动机的工作原),进一步说明无刷直流电动机的工作原理。理。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机10第六章第六章 无刷直流电
8、动机无刷直流电动机11第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机电源正极电源正极V1管和管和V5管管A相和相和C相绕组相绕组B相绕组相绕组V6管管电源负极电源负极 电源正极电源正极V1管管A相绕组相绕组B相和相和C相绕组相绕组V6管和管和V2管管电源负极电源负极“A+B-C+”通电状态通电状态“A+B-C-”通电状态通电状态 12第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机13 从表从表6-1可以看出,在可以看出,在1个周期内电动机共有个周期内电动机共有6个通电状态,个通电状态,每个状态都是三相同时导通,每次换向都只有一个开关器件的状每个状态都是三相同时导通,每次换向都只有一个开关器件的状态发生
9、改变,而每个开关器件持续导通的角度均为态发生改变,而每个开关器件持续导通的角度均为180电角度。电角度。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机14 综合以上分析可以看出,无刷直流电动机通过检测综合以上分析可以看出,无刷直流电动机通过检测转子磁极的若干位置,来决定定子侧逆变电路开关器件转子磁极的若干位置,来决定定子侧逆变电路开关器件的通断时刻,从而保证定子合成磁动势在平均意义上与的通断时刻,从而保证定子合成磁动势在平均意义上与转子永磁体磁动势同步,转子永磁体磁动势同步,这也是无刷直流电动机有这也是无刷直流电动机有“同同步电动机步电动机”之称的一个重要原因之称的一个重要原因。显然,无刷直流电动
10、。显然,无刷直流电动机定子合成磁动势所产生的是一种机定子合成磁动势所产生的是一种跳跃式的旋转磁场跳跃式的旋转磁场,因此因此相应的电磁转矩必然存在一定的脉动相应的电磁转矩必然存在一定的脉动。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机15第二节第二节 无刷直流电动机的电枢反应无刷直流电动机的电枢反应 电动机负载时电枢绕组电流所产生的磁场对主磁场电动机负载时电枢绕组电流所产生的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。的影响称为电枢反应。无刷直流电动机的电枢反应与电无刷直流电动机的电枢反应与电枢绕组的连接方式、逆变电路的通电方式、电动机的转枢绕组的连接方式、逆变电路的通电方式、电动机的转向、状态角的大小以及电
11、机磁路的饱和程度都有关系。向、状态角的大小以及电机磁路的饱和程度都有关系。下面以下面以三相导通三相星形六状态三相导通三相星形六状态的无刷直流电动机的无刷直流电动机为例,分析其电枢反应的基本特点。为例,分析其电枢反应的基本特点。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机16 选取图选取图6-6(a)6-6(a)所示的所示的“A A+B B-C C+”通电状态通电状态,在磁极在磁极位置角位置角分别等于分别等于0 0、/6、/3时将时将电枢磁动势电枢磁动势F FS S沿转子直沿转子直轴和交轴方向分解,得到轴和交轴方向分解,得到直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势F FSdSd和和交轴电枢交轴电枢磁动势磁动势
12、F FSqSq,如图,如图6-76-7所示。所示。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机17 由图可见,在一个通电状态内,直轴电枢磁动势在由图可见,在一个通电状态内,直轴电枢磁动势在刚开始时,呈现刚开始时,呈现最大去磁最大去磁 图图6-7(a)6-7(a),=0,然后去磁作,然后去磁作用逐渐减小;在用逐渐减小;在1/21/2通电状态时,直轴电枢磁动势为零,通电状态时,直轴电枢磁动势为零,既不去磁也不增磁既不去磁也不增磁 图图6-7(b)6-7(b),=/6;在后半个通电状;在后半个通电状态内,直轴电枢磁动势的增磁作用逐渐加大,最后达到态内,直轴电枢磁动势的增磁作用逐渐加大,最后达到最大增磁
13、最大增磁 图图6-7(c)6-7(c),=/6。直轴电枢磁动势的最大值为直轴电枢磁动势的最大值为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机(6-1)电枢绕组合成磁动势的幅值电枢绕组合成磁动势的幅值 状态角状态角 18 无刷直流电动机的状态角一般较大无刷直流电动机的状态角一般较大,直轴电枢反应,直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值,磁动势可以达到相当大的数值,若永磁材料磁性能不佳若永磁材料磁性能不佳或设计不合理,极有可能造成永磁体永久失磁,这是需或设计不合理,极有可能造成永磁体永久失磁,这是需要特别注意的问题。要特别注意的问题。与普通直流电动机一样,与普通直流电动机一样,交轴电枢磁动势对主磁
14、场交轴电枢磁动势对主磁场的影响是使气隙磁场波形发生畸变的影响是使气隙磁场波形发生畸变。对于。对于径向充磁的表径向充磁的表面式转子结构面式转子结构 图图6-8(a)6-8(a),由于交轴方向上永磁体本身,由于交轴方向上永磁体本身的磁阻很大,故交轴电枢磁动势所引起的气隙磁场畸变的磁阻很大,故交轴电枢磁动势所引起的气隙磁场畸变较小,通常可以不予考虑。较小,通常可以不予考虑。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机19第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机20 对于对于切向充磁的内嵌式转子结构切向充磁的内嵌式转子结构 图图6-8(b)6-8(b),由于,由于交轴方向上极靴铁心的磁阻很小,故交轴电
15、枢磁动势可交轴方向上极靴铁心的磁阻很小,故交轴电枢磁动势可导致气隙磁场发生较大畸变,使主磁极一端磁通加强,导致气隙磁场发生较大畸变,使主磁极一端磁通加强,另一端磁通削弱。如果磁路不饱和,则加强部分和削弱另一端磁通削弱。如果磁路不饱和,则加强部分和削弱部分相等;反之,则产生一定的饱和去磁作用。部分相等;反之,则产生一定的饱和去磁作用。畸变的畸变的气隙磁场也会引起电磁转矩的脉动,不利于电动机的正气隙磁场也会引起电磁转矩的脉动,不利于电动机的正常运行,这也是设计时需要注意的问题。常运行,这也是设计时需要注意的问题。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机21第三节第三节 无刷直流电动机的运行特性无
16、刷直流电动机的运行特性一、等效电路一、等效电路 为简单起见,以表面式永磁体转子结构的为简单起见,以表面式永磁体转子结构的两相导通两相导通三相星形六状态三相星形六状态的无刷直流电动机为例进行分析,并作的无刷直流电动机为例进行分析,并作如下假定:如下假定:(1)(1)气隙磁密在空间呈梯形波(或近似方波)分布。气隙磁密在空间呈梯形波(或近似方波)分布。(2)(2)三相绕组对称,其对应的电路单元也完全一致。三相绕组对称,其对应的电路单元也完全一致。(3)(3)忽略电枢齿槽效应、电枢反应和换向过程等的忽略电枢齿槽效应、电枢反应和换向过程等的影响。影响。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机22定子三
17、相绕组的电压平衡方程为定子三相绕组的电压平衡方程为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机(6-2)当三相绕组为当三相绕组为Y Y联接且没有中线时联接且没有中线时(6-3)(6-4)23第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机(6-5)24二、基本公式二、基本公式1.1.感应电动势感应电动势第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机25单根导体在气隙磁场中的感应电动势为单根导体在气隙磁场中的感应电动势为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机(6-6)电枢导体的有效长度电枢导体的有效长度 导体的线速度导体的线速度 设电枢绕组每相串联匝数为设电枢绕组每相串联匝数为N N,每相绕组的感应
18、电动势,每相绕组的感应电动势(6-7)26梯形波气隙磁密的每极磁通为梯形波气隙磁密的每极磁通为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机(6-8)比较式(比较式(6-66-6)与式()与式(6-86-8),可得),可得 计算极弧系数计算极弧系数(6-9)27把上式代入式(把上式代入式(6-76-7),可得),可得 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机(6-10)从直流端看,任何时刻两相导通三相星形无刷直流从直流端看,任何时刻两相导通三相星形无刷直流电动机的感应电动势都是两相绕组感应电动势的串联,电动机的感应电动势都是两相绕组感应电动势的串联,所以有所以有 (6-11)282.2.电枢电
19、流电枢电流 不考虑开关器件动作的过渡过程,并忽略电枢绕组不考虑开关器件动作的过渡过程,并忽略电枢绕组的电感,无刷直流电动机的电压平衡方程式可以简化为的电感,无刷直流电动机的电压平衡方程式可以简化为(6-12)第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机开关器件的管压降开关器件的管压降(6-13)293.3.电磁转矩电磁转矩 无刷直流电动机的电磁功率为无刷直流电动机的电磁功率为第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机(6-14)根据电动机电磁功率与电磁转矩的基本关系,无刷根据电动机电磁功率与电磁转矩的基本关系,无刷直流电动机的电磁转矩为直流电动机的电磁转矩为 (6-15)304.4.电机转速电机
20、转速 由式(由式(6-116-11)、式()、式(6-126-12),可得无刷直流电动机),可得无刷直流电动机的转速为的转速为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机(6-16)在理想空载情况下,电机转速为在理想空载情况下,电机转速为(6-17)31 由以上推导过程可以看出,无刷直流电动机的基本由以上推导过程可以看出,无刷直流电动机的基本公式与普通直流电动机是相似的,因此公式与普通直流电动机是相似的,因此可以预计无刷直可以预计无刷直流电动机具有和普通直流电动机一样优良的运行特性。流电动机具有和普通直流电动机一样优良的运行特性。三、运行特性三、运行特性1.1.机械特性机械特性 由式(由式(6
21、-166-16)和式()和式(6-156-15)可以得到无刷直流电动)可以得到无刷直流电动机的机械特性方程机的机械特性方程 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机(6-18)斜率斜率 32 相应的特性曲线如图相应的特性曲线如图6-116-11所示。可见,无刷直流电所示。可见,无刷直流电动机的机械特性为一直线,随着直流电源电压的增加,动机的机械特性为一直线,随着直流电源电压的增加,机械特性向上平移,而机械特性向上平移,而直线斜率直线斜率保持不变。保持不变。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机开关器件的管压开关器件的管压降增大,使实际降增大,使实际加在电枢绕组上加在电枢绕组上的电压减小。
22、的电压减小。332.2.调节特性调节特性 根据式(根据式(6-186-18),并利用),并利用T Te e=T TL L的关系,可以得到无的关系,可以得到无刷直流电动机的调节特性方程刷直流电动机的调节特性方程第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机(6-19)始动电压始动电压U0 34 相应的调节特性曲线如图相应的调节特性曲线如图6-126-12所示。可见,无刷直所示。可见,无刷直流电动机的调节特性也为一直线,随着负载转矩的增加,流电动机的调节特性也为一直线,随着负载转矩的增加,机械特性向右平移,而机械特性向右平移,而直线斜率直线斜率 保持不变。保持不变。从以上分析可以看出,从以上分析可以看
23、出,无刷直流电动机的两个主要无刷直流电动机的两个主要运行特性运行特性机械特性和调节特性都是线性的,可以通机械特性和调节特性都是线性的,可以通过调节直流电源电压实现无级调速,过调节直流电源电压实现无级调速,调速控制性能优调速控制性能优异。异。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机35第四节第四节 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动*无刷直流电动机输出转矩大,动态响应迅速,调速无刷直流电动机输出转矩大,动态响应迅速,调速控制方便,可靠性高,因此它的应用越来越广泛。控制方便,可靠性高,因此它的应用越来越广泛。但但是,无刷直流电动机是,无刷直流电动机固有的转矩脉动问题固有的转矩脉动问
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