永磁電機課件教材

1、直流無刷電機基本原理 BLDC電機 在了解永磁電機之前，為便于理解永磁電機工作的基本原理，我們先簡要回顧一下電磁感應(yīng)方面的一些基本理論及我們比較熟悉的普通三相異步電動機和單相異步電動機與直流電機的基本工作原理。通過對比分析，有助于我們快速的掌握永磁電機的基本工作原理。首先，來了解一下電磁感應(yīng)方面的一些基礎(chǔ)知識。3磁與電磁一、磁的基本知識1、磁性 :能吸引鐵、鎳等金屬或合金的性質(zhì)。2、磁體 :具有磁性的物體。 3、磁極 :磁體上磁性最強的部位，有S極和N極，磁極間同性相斥,異性相吸。4、磁力 :磁極間的相互作用力。 5、磁場 :磁極周圍存在的一種特殊物質(zhì),具有力和能的特性。 6、磁力線 :為描述

2、磁場的強弱和方向而引入的假想線。在磁極外部由N指向S，在磁極內(nèi)部由S指向N。磁力線越密磁場越強，磁力線越疏磁場越弱。4二、電流的磁場 1920年，科學家奧斯特發(fā)現(xiàn)，在電流周圍存在磁場（動電生磁），即電流的磁效應(yīng)。 電流與其產(chǎn)生磁場的方向可用安培定則來判斷，既適用于判斷電流產(chǎn)生的磁場方向，也適用于在已知磁場方向時判斷電流的方向。1、直線電流產(chǎn)生的磁場2、環(huán)形電流產(chǎn)生的磁場5三、磁場對電流的作用 1、通電導(dǎo)體在磁場中會受到力的作用，電磁力的方向符合左手定則。 伸開左手，四指并攏，拇指與四指垂直，并且在同一平面里，讓磁感線垂直穿過手心，使四指指向電流方向，這時大拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受

3、磁場力的方向。左手定則67 2、我們常使用通電導(dǎo)體在磁場中某點受到的電磁力與導(dǎo)體中電流和導(dǎo)體的有效長度的乘積的比值來表示該點磁場的性質(zhì)，并稱為該點的磁感強度B。即：B=FILB：均勻磁場的磁感強度（T）F：通電導(dǎo)體受到的電磁力（N）I：導(dǎo)體中的電流強度（A）L：導(dǎo)體在磁場中的有效長度（m）8 3、一匝匝數(shù)為N的線圈在磁場中，若與線圈交鏈的磁通發(fā)生變化，則線圈上會感應(yīng)出電動勢e,稱為電磁感應(yīng), e的正方向與符合右手螺旋定則。E=-N/t上式的含義是指，電磁感應(yīng)的電動勢與線圈匝數(shù)和磁通的變化率成正比。負號是指在感應(yīng)電動勢作用下而在線圈里產(chǎn)生的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的將逆著變化。1）變壓器電動勢：線圈與磁場

4、相對靜止，只有磁通變化。 2）運動電動勢：線圈與磁場相對運動，引起磁通變化。 符合右手定則。e=Blv910 前面，我們回顧了電磁感應(yīng)方面的一些基礎(chǔ)知識，下面我們在此基礎(chǔ)上開始了解電機方面的理論知識，首先，來了解下右手定則。12 三相異步電動機的三相定子繞組以互隔1200的方式嵌放在定子鐵芯中。當三個繞組分別接入三相交流電后，便可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。實際三相電動機的旋轉(zhuǎn)磁場是如何產(chǎn)生的呢？t0iAXBYCZ 規(guī)定：電流為正值時，電流從繞組首端流入，從末端流出；電流為負值時，電流從繞組末端流入，從首端流出。13AXBYCZt0it=0時電流和磁場情況A、C兩相電流t=0時為正，因此首端流入、末端流出

5、。B相電流t=0時為負，末端流入、首端流出。 電流入 電流出NSn0相鄰線圈電流流向一致，在氣隙中生成合成磁場。14t0it =120AXBYCZt =120時電流和磁場情況NSn0 可見當電流隨時間變化120，電動機的磁場在空間的位置也隨之旋轉(zhuǎn)了120。 觀察電流波形圖及電機示意圖可看出，合成磁場的轉(zhuǎn)向取決于三相電流的順序，ABC正序時氣隙磁場順時針旋轉(zhuǎn)。15t0it =240AXBYCZt =240時電流和磁場情況NSn0 觀察電流波形圖及電機示意圖可看出，合成磁場的轉(zhuǎn)向取決于三相電流的順序。16t0it =360AXBYCZNSn0 電流隨時間變化一周，電動機的氣隙磁場在空間的位置也順時

6、針旋轉(zhuǎn)了360。表明磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流變化的頻率有關(guān)。t =360時電流和磁場情況17歸納： 只要三相異步機的對稱三相定子繞組中通入對稱三相交流電，就會在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中產(chǎn)生一個隨時間變化的旋轉(zhuǎn)磁場。18AXBYCZn0三相異步電動機工作原理概括 在電動機對稱三相定子繞組中通入對稱三相交流電流產(chǎn)生氣隙旋轉(zhuǎn)磁場NS 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與磁場相切割，生成感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流載流導(dǎo)體受電磁力的作用形成力偶力偶對電機轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩從而使固定不動的轉(zhuǎn)子順著旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動起來。FF 若要改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向，只需任調(diào)通入定子繞組中兩相電流的相序即可。19 很明顯，電動機上存在兩個轉(zhuǎn)速，一個是旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)

7、速n0，一個是轉(zhuǎn)子的 轉(zhuǎn)速n。電動機的轉(zhuǎn)速n能等于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0嗎？如果二者相等，則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間產(chǎn)生感應(yīng)電流成為載流導(dǎo)體不是載流導(dǎo)體就無法在磁場中就沒有了相對切割轉(zhuǎn)子不切割磁場就不能受力不受力電動機就永遠轉(zhuǎn)運不起來。nn0，異步！20單相異步電動機的定子磁場單相機定子單相機轉(zhuǎn)子t0i在定子繞組中通入單相交流電 電流正半周，線圈導(dǎo)體中通過的電流始終為正值 合成磁場隨時間大小不斷變化，但磁場軸線的位置始終不變。NS 電流的負半周，線圈導(dǎo)體中通過的電流方向始終為負SN 合成磁場隨時間大小不斷變化，但磁場軸線的位置始終不變。顯然，單相異步電動機的定子磁場是一個大小和方向隨時間不斷變化、但磁場

8、軸線位置始終不變的脈動磁場。所以單向異步機的轉(zhuǎn)子不會自行起動，也就是說單相異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩為零。21如何使單相異步電動機旋轉(zhuǎn)起來呢？電容分相法可讓單相異步機轉(zhuǎn)動 電容分相式異步電動機的定子有兩個繞組：一個是工作繞組；另一個是起動繞組，兩個繞組在空間對稱嵌放。起動繞阻與電容C串聯(lián)，使起動繞組電流i2和工作繞組電流i1產(chǎn)生90的相位差，即： 加入起動繞組后，和工作繞組并聯(lián)連接于單相交流電源上。 可見，單相電動機定子兩繞組的合成磁場也是一個隨時間空間位置不斷變化的旋轉(zhuǎn)磁場。單相電動機也因之可以自行起動了。AXBYAXBYAXBY BLDC電機 BLDC電機 前面我們對普通三相及單相電機進行了簡要

9、的分析，下面主要來了解下永磁電機的基本工作情況。rrggbbNSACBZYX模擬結(jié)構(gòu)圖BLDC電機定子 定子繞組一般制成多相（三、四、五相不等），通常為三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對稱分布，在空間互差120度電角度，通入三相交流電時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。BLDC電機 BLDC電機共有6種電流流動方向；于是電機就能換相，并運行。電機工作原理 BLDC電機 電機運轉(zhuǎn)時的波形轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作 為永磁材料。 采用永磁體簡化了電機的 結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗， 提高電機的效率。 BLDC電機 BLDC電機 常用磁鐵材料：稀土磁鐵和鐵氧體磁鐵釹鐵硼，簡單來講是一種磁鐵，和我們平

10、時見到的磁鐵所不同的是，其優(yōu)異的磁性能而被稱為“磁王”。 釹鐵硼中含有大量的稀土元素釹、鐵及硼，其特性硬而脆。由于表面極易被氧化腐蝕，釹鐵硼必須進行表面涂層處理。表面化學 處理是目前很好的解決BLDC電機方法之一。釹鐵硼作為稀土永磁材料的一種具有極高的磁能積和矯頑力，同時高能量密度的優(yōu)點使釹鐵硼永磁材料在現(xiàn)代工業(yè)和電子技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用，從而使儀器儀表、電聲電機、磁選磁化等設(shè)備的小型化、輕量化、薄型化成為可能。釹鐵硼的優(yōu)點是性價比高，具良好的機械特性；不足之處在于居里溫度點低，溫度特性差，且易于粉化腐蝕，必須通過調(diào)整其化學成分和采取表面處理方法使之得以改進，才能達到實際應(yīng)用的要求。 BLDC

11、電機位置傳感器：位置傳感器大部分采用霍爾器件。位置傳感器和定子繞組是固定不轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子是永久磁鐵，磁鐵經(jīng)過轉(zhuǎn)子位置傳感器后，霍爾器件產(chǎn)生一個脈沖。 BLDC電機當將一塊通電的半導(dǎo)體薄片垂直置于磁場中時，薄片兩側(cè)由此會產(chǎn)生電位差，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻柤呻娐肪哂袩o觸點、無磨損、無火花、低功耗、壽命長、靈敏度高、工作頻率高的特點?；魻柤呻娐肥腔魻栐c電子線路一體化的產(chǎn)品，它是由霍爾元件、放大器、溫度補償電路和穩(wěn)壓電路利用集成電路工藝技術(shù)制成的。它能感知一切與磁有關(guān)的物理量，又能輸出相關(guān)的電控信息，所以霍爾集成電路既是一種集成電路，又是一種磁敏傳感器。.安裝槽的底部要平，不能歪斜，否則會導(dǎo)致霍

12、爾器件傾斜放置，電機產(chǎn)生噪音。.用鏟子等工具清理安裝槽的底部和側(cè)部，去除可能會刮傷霍爾器件器件的毛刺。.粘接霍爾器件要使用AB膠。粘接時只能涂敷于霍爾器件的底面和側(cè)面，不能粘接表面，否則會降低靈敏度。其步驟是：首先是在背面涂敷一點膠，用手指壓平霍爾器件即可。.為防止腐蝕，不可使用502膠。.AB膠發(fā)熱時，不可粘接霍爾器件，否則會導(dǎo)致霍爾器件受熱。.粘膠必須完全干燥后方可通電檢測。.三個霍爾器件位置要平放，頂部要對齊(處于一條線上)，否則,不同的位置會導(dǎo)致霍爾器件的輸出不同。.霍爾器件的引腳要平直，盡量避免彎曲。 霍爾元件裝配注意事項：霍爾位置傳感器霍爾位置傳感器，因結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、靈活，易

13、于機電一體化，獲得了廣泛應(yīng)用。霍爾元件特性是：在磁場中有電流流過時，其橫向出現(xiàn)電勢電壓(見圖)?；魻栐目刂茦O分別接入電源，輸出端x1、X2、Y1及Y2分別輸出信號，控制晶體管BGl-BG4的開、關(guān)。 根據(jù)霍爾元件的特性，當主轉(zhuǎn)子N極在定子Yl位置時，在霍爾元件HGl中產(chǎn)生x1方向上的電勢，此信號使BG4導(dǎo)通，與BG4串聯(lián)的 BLDC電機繞組WXl中有電流流過，并使定子x1極磁化為s極吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90度，N極到達定子xl位置，此時HGl的輸出為0，在霍爾元件HG2中產(chǎn)生Y2方向上的電勢，此信號使BG3導(dǎo)通，使繞組wY2中有電流流過，并使定子Y2極磁化為s極吸引轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90度，N極到達定子

14、Y2的位置，此時HG2輸出為0，s極對準。HGl，因而在：HGl中產(chǎn)生x2方向的電勢，同樣使BG2，WX2導(dǎo)通，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90度。因此對于不同的主轉(zhuǎn)子位置，霍爾元件依次輸出不同的信號，使主定子繞組按wXlwY2WX2wYl的順序輪流通電，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 電路器件簡化圖釋電 池控制器電 機轉(zhuǎn) 把剎 把儀 表大 燈前轉(zhuǎn)向燈巡航開關(guān)喇 叭后轉(zhuǎn)向燈前剎車燈后尾燈電源開關(guān)喇叭開關(guān)大燈開關(guān)轉(zhuǎn)向開關(guān)后剎車燈 BLDC電機 BLDC電機 BLDC電機1. 磁回路分析法圖1-4 BLDC電機在圖1-4中，當兩頭的線圈通上電流時，根據(jù)右手螺旋定則，會產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強度B（如粗箭頭方向所

15、示），而中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁力線方向與外磁力線方向保持一致，以形成一個最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會按順時針方向旋轉(zhuǎn)了?！爱斵D(zhuǎn)子磁場方向與外部磁場方向垂直時，轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動力矩最大”。注意這里說的是“力矩”最大，而不是“力”最大。誠然，在轉(zhuǎn)子磁場與外部磁場方向一致時，轉(zhuǎn)子所受磁力最大，但此時轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài)，力臂為0，當然也就不會轉(zhuǎn)動了。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到水平位置時，雖然不再受到轉(zhuǎn)動力矩的作用，但由于慣性原因，還會繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，這時若改變兩頭螺線管的電流方向，如下圖所示，轉(zhuǎn)子就會繼續(xù)順時針向前轉(zhuǎn)動，見圖1-5所示： BLDC電機圖1-5 如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內(nèi)轉(zhuǎn)子就會不停轉(zhuǎn)

16、起來了。改變電流方向的這一動作，就叫做換相（commutation）。注意：何時換相只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，而與轉(zhuǎn)速無關(guān)。以上是兩相兩級無刷電機的工作原理，下面我們來看三相兩極無刷電機的構(gòu)造。 BLDC電機2. 三相二極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)定子三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”最常用。圖1-6 BLDC電機圖1-6顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式（轉(zhuǎn)子未畫出），三個繞組通過中心的連接點以“Y”型的方式被聯(lián)結(jié)在一起。整個電機就引出三根線A, B, C。當它們之間兩兩通電時，有6種情況，分別是AB, AC, BC, BA, CA, CB，圖1-7(a)(f)分別描述了這6種情況下

17、每個通電線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的方向（紅、蘭色表示）和兩個線圈的合成磁感應(yīng)強度方向（綠色表示）。 BLDC電機在圖(a)中，AB相通電，中間的轉(zhuǎn)子（圖中未畫出）會盡量往綠色箭頭方向?qū)R，當轉(zhuǎn)子到達圖(a)中綠色箭頭位置時，外線圈換相，改成AC相通電，這時轉(zhuǎn)子會繼續(xù)運動，并盡量往圖(b)中的綠色箭頭處對齊，當轉(zhuǎn)子到達圖(b)中箭頭位置時，外線圈再次換相，改成BC相通電，再往后以此類推。當外線圈完成6次換相后，內(nèi)轉(zhuǎn)子正好旋轉(zhuǎn)一周（即360 ）。再次重申一下：何時換相只與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，而與轉(zhuǎn)速無關(guān)。圖1-8中畫出了換相前和換相后合成磁場方向的比較與轉(zhuǎn)子位置的變化。一般來說，換相時，轉(zhuǎn)子應(yīng)該處于，比與新

18、的合成磁力線方向垂直的位置不到一點的鈍角位置，這樣可以使產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩的垂直位置正好處于本次通電的中間時刻。 BLDC電機 (a) AB相通電情形(b) AC相通電情形 BLDC電機 (c) BC相通電情形(d) BA 相通電情形 BLDC電機(e) CA 相通電情形 (f) CB相通電情形 BLDC電機3. 三相多繞組多極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的結(jié)構(gòu) 搞清了最簡單的三相三繞組二極電機，我們再來看一個復(fù)雜點的，圖1-9(a)是一個三相九繞組六極（三對極）內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，它的繞組連線方式見圖1-9(b)。從圖(b)可見，其三相繞組也是在中間點連接在一起的，也屬于星形聯(lián)結(jié)方式。一般而言，電機的繞組數(shù)量都和永磁極的

19、數(shù)量是不一致的（比如用9繞組6極，而不是6繞組6極），這樣是為了防止定子的齒與轉(zhuǎn)子的磁鋼相吸而對齊，產(chǎn)生類似步進電機的效果，此種情況下轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生很大波動。 BLDC電機 (a) 電機定子與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) (b) 繞組聯(lián)結(jié)方式圖1-9 三相9繞組3對極內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機結(jié)構(gòu) BLDC電機二二導(dǎo)通時的6種通電情況自行分析，原則是轉(zhuǎn)子的N（S）極與通電繞組的S（N）極有對齊的運動趨勢。圖1-10給出了一個對齊的運動趨勢的圖例。圖1-10 某2相通電時的轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極對齊運動的最終位置 BLDC電機轉(zhuǎn)子的受力分析在圖1-20(a)中，AB相通電，電流處于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場內(nèi)，根據(jù)左手定則，我們判斷線圈AA中

20、的上半部導(dǎo)線A受到一個順時針方向的電磁力，而AA的下半部導(dǎo)線A也受到一個順時針方向的電磁力。由于線圈繞組在定子上，定子是固定不動的，故根據(jù)作用力與反作用力，定子繞組AA會施加給轉(zhuǎn)子一個逆時針方向的反作用力，轉(zhuǎn)子在這個力的作用下，就轉(zhuǎn)起來了。同理，與AA的情況類似，BB也會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個逆時針的反作用力。當轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過60后，到達圖1-20(b)的位置，這時線圈BB已經(jīng)到達轉(zhuǎn)子磁極的邊緣位置了，再轉(zhuǎn)下去就要產(chǎn)生反方向的力了，所以這時就要換相，換成AC相通電，見圖1-20(c)。這樣，每過60換相通電，轉(zhuǎn)子就可以一直轉(zhuǎn)下去了。 BLDC電機(a) AB相通電 (b) 轉(zhuǎn)過60 (c) AC相通電

21、(d) 轉(zhuǎn)過60(e) BC相通電 (f) 轉(zhuǎn)過60 BLDC電機(g) BA相通電 (h) 轉(zhuǎn)過60 (i) CA相通電(j) 轉(zhuǎn)過60 (k) CB相通電 (l) 轉(zhuǎn)過60 BLDC電機換相控制電路換相控制電路主要由6個功率場效應(yīng)管和一些外圍電阻和三極管構(gòu)成，雖然原理不復(fù)雜，但涉及到的相關(guān)知識還是蠻多的，所以要分幾個部分講。六臂全橋驅(qū)動電路原理為了清楚地說明問題，我們先將原圖作一些簡化圖2-2 六臂全橋式驅(qū)動電路 BLDC電機 Q1到Q6為功率場效應(yīng)管，當需要AB相導(dǎo)通時，只需要打開Q1, Q4管，而使其他管保持截止。此時，電流的流經(jīng)途徑為：正極Q1線圈A繞組BQ4負極。這樣，六種相位導(dǎo)通模式：AB, AC, BC, B