永磁無刷直流電動機鍵合圖

1、傳統(tǒng)直流電機運行原理傳統(tǒng)直流電機運行原理l傳統(tǒng)直流電機基本機構(gòu)l傳統(tǒng)直流電機工作原理l傳統(tǒng)直流電機的優(yōu)缺點傳統(tǒng)直流電機基本結(jié)構(gòu)國產(chǎn)直流電機的結(jié)構(gòu)裝配圖和結(jié)構(gòu)剖面圖 傳統(tǒng)直流電機基本結(jié)構(gòu) o旋轉(zhuǎn)電機都是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，每一部分也都由電磁部分和機械部分組成，以便滿足電磁作用的條件。o定子部分由主磁極、機座、換向極、端蓋和電刷裝置等部件組成 。o 轉(zhuǎn)子部分，又稱電樞。轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、軸承、風(fēng)扇等。 定子部分 主磁極主磁極 主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數(shù)直流電機的主磁極是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成。主磁極

2、鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。 電刷裝置電刷裝置電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成 。 機座機座 機座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結(jié)構(gòu)框架。 轉(zhuǎn)子部分 電樞繞組電樞繞組電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，它是直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進行機電能量轉(zhuǎn)換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊。 電樞鐵心電樞鐵心 電樞鐵心既是主磁路的

3、組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽的型號為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成。 換向器換向器在直流發(fā)電機中，換向器起整流作用，在直流電動機中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機的關(guān)鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個V形環(huán)夾緊而構(gòu)成。每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應(yīng)換向片的升高片內(nèi)。傳統(tǒng)直流電機物理模型傳統(tǒng)直流電機工作原理 直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作

4、用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷 B 流出。此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。 工作原理小結(jié)o將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過。 o電機內(nèi)部有磁場存在。 o載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將受到電磁力

5、 f 的作用 f=BlV（左手定則）。 o所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以n(轉(zhuǎn)/分)旋轉(zhuǎn)，以便拖動機械負載。 傳統(tǒng)直流電機優(yōu)缺點：o優(yōu)點：調(diào)速和啟動特性好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，廣 泛應(yīng)用于驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中。o缺點：直流電機有電刷和換向器，期間形成 的滑動機械接觸嚴(yán)重地影響了電機的 精度、性能和可靠性，所產(chǎn)生的火花 會引起無線電干擾，縮短電機壽命。 換向器電刷裝置使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪音 大、維護困難。永磁無刷直流電動機綜述永磁無刷直流電動機綜述l永磁無刷直流電動機介紹l永磁無刷直流電動機特點l稀土永磁材料介紹永磁無刷直流電機介紹 永磁無刷直流電機是近年來迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù)、新產(chǎn)品，它集有

6、刷直流電機和交流異步變頻調(diào)速電機優(yōu)點于一身，并很好地克服了上述兩種電機的不足之處，起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速方便、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低、工作可靠，是理想的節(jié)能、降噪的環(huán)保型產(chǎn)品，在各個領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。尤其適用于高級電子設(shè)備、機器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新技術(shù)領(lǐng)域。永磁無刷直流電機特點o永磁無刷直流電機作為一個系統(tǒng)，它的發(fā)展涉及到電機本體的設(shè)計技術(shù)、稀土永磁材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、檢測技術(shù)等一系列新技術(shù)。o永磁無刷直流電機也被成為矩形波永磁無刷電動機，其最大特點是是沒有換向器和電刷組成的機械接觸結(jié)構(gòu)。它通常采用永磁體為轉(zhuǎn)子，沒有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組又通常裝在外面的定

7、子上，這樣熱阻較小，散熱容易。因此，無刷直流電機沒有換向火花，不產(chǎn)生無線電干擾，壽命長，運行可靠，維護簡便。稀土永磁材料介紹 通常的稀土永磁材料包括稀土鈷永磁和稀土釹鐵硼永磁，二者都是高剩磁、高矯頑力、高磁能積的永磁材料:這兩種稀土永磁材料在無刷電機的設(shè)計制造中得到了廣泛的應(yīng)用。稀土鈷永磁 稀土鈷永磁材料磁性能優(yōu)良，其特點是剩余磁感應(yīng)強度、磁感應(yīng)矯頑力和最大磁能積都很高。1:5型永磁體的最大磁能積現(xiàn)已超過199 ;2:17型永磁體的最大磁能積現(xiàn)已達258.6 ，剩余磁感應(yīng)強度一般高達 ，接近鋁鎳鉆永磁水平，磁感應(yīng)矯頑力可達 ，大約是鐵氧體永磁的3倍。稀土鉆永磁的退磁曲線基本上是一條直線，回復(fù)線

8、基本上與退磁曲線重合，抗去磁能力強。另外稀土鈷永磁材料的溫度系數(shù)比鐵氧體永磁材料低，通常為 左右，并且居里溫度較高，一般為 度。因此這種稀土永磁材料的磁穩(wěn)定性最好，適合用來制造高性能的永磁電機，缺點是稀土鈷目前的價格還比較昂貴，致使電機造價較高。3/KJm3/KJ m0.851.15T480800/kA m0.03%K710 800釹鐵硼稀土永磁 釹鐵硼稀土永磁材料的磁性能更為優(yōu)良，高于稀土鈷永磁。室溫下剩余磁感應(yīng)強度現(xiàn)可高達1.47T，磁感應(yīng)矯頑力H可達992kA/m，最大磁能積高達397.9kJ/m3，是目前磁性能最高的永磁材料。由于釹在稀土中的含量是釤的十幾倍，資源豐富，鐵、硼的價格便宜

9、，又不含戰(zhàn)略物資鈷，因此釹鐵硼永磁的價格比稀土鈷永磁便宜得多，問世以來，在工業(yè)和民用的永磁電機中迅速得到推廣應(yīng)用。永磁無刷直流電機基本結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電機基本結(jié)構(gòu)l電動機本體l控制器l位置傳感器永磁無刷直流電機基本結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電機基本結(jié)構(gòu)電動機本體 永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)永磁直流電動機，固定在轉(zhuǎn)子磁扼上的由釹鐵硼制成的永磁體磁鋼形成永磁體的磁極，其氣息磁場一般呈方波或梯形波分布。根據(jù)轉(zhuǎn)子在電機結(jié)構(gòu)中所處的位置，可分為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子以及盤式電機等幾種類型。其定子繞組結(jié)構(gòu)類似于三相交流電動機的整距繞組，三相繞組在空間以120的電角度均勻分布。位置傳感器o電磁式：它輸出電壓較大，一

10、般不需要經(jīng)過放大器便 可直接用來控制晶體管導(dǎo)通，但因輸出電壓是 交流，必須先作整流。o光電式：它產(chǎn)生的信號一般都比較弱，需要經(jīng)過放大才 去控制功率晶體管，但它輸出的是直流電信號 不必進行整流。o霍爾元件：霍爾無刷直流電動機結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但 安置和定位不便，元件片薄易碎，對環(huán)境及 工作溫度有一定要求，耐震差。控制器 無刷直流電動機大都通過固定在定子上的三個位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁極位置。所檢測到的轉(zhuǎn)子三個位置的信息經(jīng)控制電路處理、放大后，按一定順序驅(qū)動三相橋式變流器中開關(guān)器件的通斷，使得無刷直流電動機的三相定子繞組產(chǎn)生跳變的旋轉(zhuǎn)磁場。該旋轉(zhuǎn)磁場的平均速率與轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)速同步，確保了有效電磁轉(zhuǎn)矩

11、的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子得以連續(xù)運行。永磁無刷直流電機運行原理o無刷直流電機的運行還需依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的位置信號，通過換相驅(qū)動電路驅(qū)動與電樞繞組連接的各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制定子繞組的通電，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞的通電狀態(tài)，使得在同一磁極下的導(dǎo)體中的電流方向不變。因此，就可產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩使無刷直流電機運轉(zhuǎn)起來。o無刷直流電機三相繞組主回路基本類型有三相半控和三相全控兩種。三相半控電路的特點是簡單，一個功率開關(guān)控制一相的通斷，每個繞組只通電1/3的時間，另外2/3時間處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分的利用。所以一般采用三相全控

12、式電路。三相全控橋兩兩通電電路 在該電路中，電動機的繞組為Y聯(lián)結(jié)。T1、T2T6為六個功率器件，起繞組的開關(guān)作用。同時我們采用兩兩導(dǎo)通方式，所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一個瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期（電角度）換相一次，每次換相一個功率管，每一功率管導(dǎo)通120電角度。各功率管的導(dǎo)通順序T1T2 T2T3 T3T4 T4T5 T5T6 T6T1 T1T2。當(dāng)功率管T1T2導(dǎo)通時，電流從T1管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)T2管回到電源。開關(guān)順序及旋轉(zhuǎn)磁場示意圖 圖（a）為T1與T6導(dǎo)通時的情況，由于T1與T6持續(xù)導(dǎo)通有一段時間，流經(jīng)A、B相繞組的電流也將持續(xù)一段時間，那么如圖（a）所示的電

13、樞磁勢Fa的方向和幅值也將有一段時間內(nèi)保持不變。但是轉(zhuǎn)子是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子勵磁磁勢F0也將隨之連續(xù)旋轉(zhuǎn)，它由起初是F01所在的位置逐漸轉(zhuǎn)到F02所在的位置。而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到F02的位置時，由于T6已導(dǎo)通120電角度，T6和T2在控制信號的作用下要進行換流，由原來的T6與T1導(dǎo)通變換為T1與T2導(dǎo)通，見圖（b）。此時，電樞磁勢從圖（a）的位置跳躍式地步進60電角度，電樞磁勢Fa和勵磁磁勢F0之間的相位差又恢復(fù)到120電角度，和圖（a）所示的T1管開始導(dǎo)通時的情況相同。如此重復(fù)進行，每當(dāng)磁極轉(zhuǎn)動，通過位置傳感器、控制電路、驅(qū)動電路使相應(yīng)的功率管導(dǎo)通、切斷，從而對電機電樞（定子）進行一次繞組切換來改變電

14、樞磁場，使穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，其平均值相當(dāng)于處在正交運行狀態(tài)，這樣在同樣的電樞電流下可使轉(zhuǎn)矩最大。依靠這種旋轉(zhuǎn)電樞磁場和勵磁磁場的相互作用，使得電機能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。值得注意的是磁極每轉(zhuǎn)動電角度，電流從一相轉(zhuǎn)移到另一相，則電樞磁場就在空間上躍進電角度，所以在無刷直流電機中的磁場是一種步進式旋轉(zhuǎn)磁場。永磁無刷直流電機鍵合圖建模永磁無刷直流電機鍵合圖建模l物理模型l鍵合圖模型l數(shù)學(xué)模型物理模型 根據(jù)電機的物理特性和實際運行特性，定子部分(電樞繞組)可簡化為電阻(Ra、Rb、Rc)、電感(L-M)和反電動勢(ea、eb、ec)3部分,其中電感部分根據(jù)電機結(jié)構(gòu)對稱性,可以把其等效為自感與互感之差L- M;轉(zhuǎn)子部分

15、(永磁體)經(jīng)過電磁力矩轉(zhuǎn)換,輸出轉(zhuǎn)速()和力矩(T),其中包含摩擦阻力和轉(zhuǎn)動慣量2個物理量。 最后，永磁無刷直流電機模型如左圖所示。鍵合圖模型 過程分析 三相的輸入電壓分別用可變勢源MSea、MSeb和MSec表示;繞組的電阻用阻性元件R表示;繞組電感為自感與互感之差(L-M),用感性元件I表示;由電到機械的轉(zhuǎn)換部分用回轉(zhuǎn)器GY表示;機械轉(zhuǎn)動部分所受摩擦阻力也用阻性元件R表示;轉(zhuǎn)動慣量用感性元件I表示;負載轉(zhuǎn)矩用可變勢源MSe-TL表示。 從上圖的永磁無刷直流電機的簡化模型中可以看出,電路部分的電流是相等的,用等流節(jié)點“1節(jié)點”把電源MSe、電阻R、電感I和回轉(zhuǎn)器GY連接起來。機械部分各元件都具有相同的角速度,也用“1節(jié)點”將阻力R、轉(zhuǎn)動慣量I和負載MSe-TL連接起來,最后得到一個完整的電機鍵合圖模型。 符號意義 數(shù)學(xué)模型 3813PPP、 、 系統(tǒng)的狀態(tài)變量只能是獨立儲能元件的能量變量。從因果關(guān)系出發(fā),每個I元件的p變量和每個C元件的q變量都是能量變量。在無刷電機鍵合圖模型中,4個I元件均為獨立儲能元件,