永磁無刷直流電機簡介課件

1、 內(nèi)轉子，外定子 外轉子，內(nèi)定子無刷直流電動機基本結構XCYANBZNSAXBYCZSN 內(nèi)轉子，外定子 外轉子，內(nèi)定子無刷直流電機的基本原理一、直流電機基本原理的公式體現(xiàn)：磁軛（Fe)定子鐵心（Fe)磁極+勵磁線圈/永磁體電樞=定子鐵心+導體+換向器無刷直流電機的基本原理一、直流電機基本原理的公式體現(xiàn)：磁軛（電機是：合二為一，各伺其職！合二為一：定子轉子各伺其職：定子：產(chǎn)生電流I轉子：產(chǎn)生磁場Bf=BIL電機是：合二為一，各伺其職！合二為一：定子轉子各伺其職：定子 旋轉磁場的產(chǎn)生 假定電機定子為3相6極，星型連接。轉子為一對極。 旋轉磁場的產(chǎn)生電流方向不同時，產(chǎn)生的磁場方向不同。若繞組的繞線

2、方向一致，當電流從A相繞組流進，從B相繞組流出時，電流在兩個繞組中產(chǎn)生的磁動勢方向是不同的。電流方向不同時，產(chǎn)生的磁場方向不同。6步通電順序三相繞組通電遵循如下規(guī)則： 每步三個繞組中一個繞組流入電流，一個繞組流出電流，一個繞組不導通；通電順序如下： 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-6步通電順序三相繞組通電遵循如下規(guī)則：6步通電順序1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 每步磁場旋轉60度，每6步旋轉磁場旋轉一周；每步僅一個繞組被換相。6步通電順序1.A+B- 2.C+B- 3.C+A隨著磁場的旋轉

3、，吸引轉子磁極隨之旋轉。磁場順時針旋轉，電機順時針旋轉：123456磁場逆時針旋轉，電機順時針旋轉：6543211.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-隨著磁場的旋轉，吸引轉子磁極隨之旋轉。2）如何實現(xiàn)換相？1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-必須換相才能實現(xiàn)磁場的旋轉，如果根據(jù)轉子磁極的位置換相，并在換相時滿足定子磁勢和轉子磁勢相互垂直的條件，就能取得最大轉矩。要想根據(jù)轉子磁極的位置換相，換相時就必須知道轉子的位置，但并不需要連續(xù)的位置信息，只要知道換相點的位置即可。在無刷直流電機中，一般采用3個開關

4、型霍爾傳感器測量轉子的位置。由其輸出的3位二進制編碼去控制逆變器中6個功率管的導通實現(xiàn)換相。2）如何實現(xiàn)換相？1.A+B- 2.C+B- 3.開關型霍爾傳感器：霍爾傳感器和定子繞組是固定不轉的，轉子是永久磁鐵，磁鐵經(jīng)過轉子霍爾傳感器后，霍爾器件產(chǎn)生一個脈沖。開關型霍爾傳感器：當將一塊通電的半導體薄片垂直置于磁場中時，薄片兩側由此會產(chǎn)生電位差，此現(xiàn)象稱為霍爾效應。 霍爾集成電路具有無觸點、無磨損、無火花、低功耗、壽命長、靈敏度高、工作頻率高的特點。 霍爾集成電路是霍爾元件與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制成的。它能感知一切與磁有關的物理量

5、，又能輸出相關的電控信息，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。霍爾工作原理當將一塊通電的半導體薄片垂直置于磁場中時，薄片兩側由此會產(chǎn)生如果將一只霍爾傳感器安裝在靠近轉子的位置，當N極逐漸靠近霍爾傳感器即磁感應強度達到一定值時，其輸出是導通狀態(tài)；當N極逐漸離開霍爾傳感器、磁感應強度逐漸減小時，其輸出仍然保持導通狀態(tài)；只有磁場轉變?yōu)镾極并達到一定值時，其輸出才翻轉為截止狀態(tài)。在S-N交替變化磁場下，傳感器輸出波形占高、低電平各占50%。如果轉子是一對極，則電機旋轉一周霍爾傳感器輸出一個周期的電壓波形，如果轉子是兩對極，則輸出兩個周期的電壓波形。如果將一只霍爾傳感器安裝在靠近轉子的

6、位置，當N極逐漸靠近霍爾直流無刷電機中一般安裝3個霍爾傳感器，間隔120度或60度按圓周分布。如果間隔120度，則3個霍爾傳感器的輸出波形相差120度電角度；輸出信號為高、低電平各占180度電角度。如果規(guī)定輸出信號高電平為“1”，低電平為“0”，則輸出的三個信號可用3位二進制編碼表示。直流無刷電機中一般安裝3個霍爾傳感器，間隔120度或60度按100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110如果間隔60度，則輸出波形相差60度電角度。間隔120度與60度的二進制編碼是不同的。100 000 001 011 111 110 三相永磁無刷直流電動機轉子

7、位置傳感器輸出信號Ha、Hb、Hc在每360電角度內(nèi)給出了6個代碼，按其順序排列，6個代碼是101、100、110、010、011、001。當然，這一順序與電動機的轉動方向有關，如果轉向反了，代碼出現(xiàn)的順序也將倒過來圖5是三相永磁無刷直流電動機的電子換向器主回路，也就是由6只功率開關元件組成的三相H形橋式逆變電路。三相直流無刷電動機的換相原理451A B CX Y Z 圖5 三相永磁無刷直流電動機 的電子換向器主回路326三相永磁無刷直流電動機轉子位置傳感器輸出信號Ha、Hb、Hc一、電樞繞組的反電勢 單根電樞繞組在氣隙磁場中的感應電勢 式中：B 氣隙磁感應強度； l 導體的有效長度； v 轉

8、子相對于定子導體的線速度。對于線速度v 有： 式中：n 電動機轉速，單位為r/min； D 電樞內(nèi)徑； p 極對數(shù)； 極距。一、電樞繞組的反電勢對于線速度v 有：如果定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù)是N，則每相繞組的反電勢為：方波氣隙磁感應強度對應的每極磁通為： 其中，是計算極弧系數(shù)。因而有： 考慮到三相永磁方波電動機是兩相同時通電，所以，線電勢E為兩相電勢之和： 計算極弧系數(shù)的定義為：一個極距內(nèi)的氣隙磁密平均值和氣隙磁密最大值的比值。磁通：通過某一截面積的磁力線總數(shù)，用表示，單位為韋（伯）Wb；磁感應強度是與磁力線方向垂直的單位面積上所通過的磁力線數(shù)目，又叫磁力線密度，也叫磁通密度，用B表示，單位為特

9、（斯拉）T。如果定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù)是N，則每相繞組的反電勢為： 方波電動機的電磁轉矩Te 是由兩相繞組的合成磁場與轉子的磁場相互作用而產(chǎn)生的?？梢岳霉β逝c速度的關系來計算電磁轉矩。 式中： 角速度， I 電樞電流 E 兩相電動勢之和 二、電磁轉矩對于轉矩則有： （5-3） 從式（5-2）和式（5-3）可以看出，三相永磁方波電動機與永磁直流電動機有完全相同的反電勢公式和轉矩公式。 方波電動機的電磁轉矩Te 是由兩相繞組的合成磁場與轉直流電機的基本方程式2)電磁轉矩T一對磁極的磁通(Wb);n電樞轉速(r/min);Ce 電勢常數(shù).式中:1)感應電勢E式中:T電磁轉矩(Nm);Ia電樞電流(

10、A);Ct轉矩常數(shù).直流電機的基本方程式2)電磁轉矩T一對磁極的磁通(Wb);直流電動機的機械特性原理電路圖直流電動機電樞電壓平衡方程式直流電動機的機械特性原理電路圖直流電動機電樞電壓平衡方程式直流電動機的自然機械特性在額定電壓,額定磁通,電樞電路內(nèi)不外接電阻時的機械特性即為自然機械特性.永磁無刷直流電動機的機械特性曲線對比直流電動機的自然機械特性永磁無刷直流電動機的機械特性曲線對比改變電樞電壓的人工機械特性n0隨U的變化而變化但轉速下降速率不變.因此,變電樞電壓的人工機械特性是一簇與自然機械特性平行的特性曲線.改變電樞電壓的人工機械特性n0隨U的變化而變化改變磁通的人工機械特性從機械特性方程

11、可知,改變磁通時,電動機的理想空載轉速和轉速降落都會隨磁通的變化而變化.磁通只能在額定值以下調(diào)節(jié),理想空載轉速和轉速降落都要增大-弱磁增速.改變磁通的人工機械特性從機械特性方程可知,改變磁通時,電動機電機的繞組永磁無刷直流電機分數(shù)槽集中繞組采用分數(shù)槽技術的優(yōu)點：1)平均每對極下的槽數(shù)大為減少, 以較少數(shù)目的大槽代替數(shù)目較多的小槽, 可減少槽絕緣占據(jù)的空間, 有利于提高槽滿率, 進而提高電動機性能; 同時, 較少數(shù)目的元件數(shù), 可簡化嵌線工藝和接線, 有助于降低成本。2)可改善反電勢波形的正弦性。3)分數(shù)槽繞組電機有可能得到線圈節(jié)距y = 1的設計(集中繞組) 。每個線圈只繞在一個齒上,縮短了線

12、圈周長和繞組端部伸出長度, 減低用銅量; 各個線圈端部沒有重疊, 不必設相間絕緣。所以有文獻稱這種繞組為非重疊繞組。4)分數(shù)槽集中繞組便于使用專用繞線機, 直接將線圈繞在齒上, 取代傳統(tǒng)嵌線工藝, 提高工效。5)提高電動機性能。槽滿率的提高、線圈周長和繞組端部伸出長度的縮短, 使電動機繞組電阻減小, 銅損隨之也減低, 進而提高電動機效率和降低溫升。6)分數(shù)槽的齒槽效應轉矩由于每轉次數(shù)較多,幅值通常比整數(shù)槽繞組小, 定子鐵心無須斜槽,有利于降低振動和噪聲。分數(shù)槽繞組的定義：每極每相槽數(shù)q=Z/2mp不為整數(shù)的繞組稱為分數(shù)槽繞組電機的繞組永磁無刷直流電機分數(shù)槽集中繞組采用分數(shù)槽技術的優(yōu)點單元電機Z

13、0 和p0 組合選擇的約束條件:分數(shù)槽電機的Z0 和p0 組合不是可以任意選擇的。1)為了使各相繞組對稱, 必須每相均分到相同的槽數(shù), 即必須Z0 /m =整數(shù)。對于三相電機,m = 3, Z0必須為3的倍數(shù)。2)由于Z0 / p0 為不可約分數(shù), 因此: p0 /m 整數(shù), 即p0 不允許是m 的倍數(shù)。對于三相電動機,m = 3, p0 不允許選擇為3的倍數(shù)。3)如果Z0 為偶數(shù), 因Z0 / p0為不可約分數(shù), p0必為奇數(shù)。4)如果Z0 為奇數(shù), p0 可能是奇數(shù), 也可能是偶數(shù)。單元電機Z0 和p0 組合選擇的約束條件:1)為了使各相繞組通過磁勢相量星形圖對電機繞組及霍爾位置的分析以1

14、2齒5極對電機舉例說明通過磁勢相量星形圖對電機繞組及霍爾位置的分析以12齒5極對電永磁無刷直流電機簡介課件這種結構中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的表面上，永磁體的充磁方向為徑向。表貼式轉子磁路結構又可分為凸出式和插入式兩種轉子磁路結構不同，則電機的運行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場合也不同。根據(jù)永磁體在轉子上的位置不同，永磁同步電機的轉子磁路結構通常分為兩種：表貼式和內(nèi)置式表貼式電氣學院這種結構中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的表面上，永磁表貼凸出式和插入式轉子磁路結構圖電氣學院表貼凸出式和插入式轉子磁路結構圖電氣學院其結構簡單，制造成本較低，轉動慣量較小，多用于矩形波永磁同步

15、電動機和恒功率運行范圍不寬的永磁同步電動機中1）表貼凸出式轉子磁路結構2）表貼插入式轉子磁路結構這種結構可充分利用轉子結構磁路的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉矩，提高電機的功率密度。制造工藝也較簡單。通常用于某些調(diào)速永磁同步電動機中。電氣學院其結構簡單，制造成本較低，轉動慣量較小，多用于矩形波永磁同步這類結構的永磁體放置在轉子鐵心內(nèi)部，永磁體外表面與轉子鐵心外圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或（和）啟動作用，動、穩(wěn)態(tài)性能好。廣泛用于要求有異步啟動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電動機。內(nèi)置式轉子磁路結構又可分為：徑向式、切向式、混合式內(nèi)置式電氣學院這類結構的永磁體放置在轉子鐵

16、心內(nèi)部，永磁體外表面與轉子鐵心外1）內(nèi)置徑向式電氣學院1）內(nèi)置徑向式電氣學院永磁體材料的選擇永磁體及其性能多種多樣，如何選擇合適的永磁材料直接關系到電機的性能和經(jīng)濟性。永磁體的選擇應滿足以下要求：永磁體應能在指定的工作空間內(nèi)產(chǎn)生所需要的磁場永磁體所建立的磁場應具有一定的穩(wěn)定性，磁性能隨工作溫度和環(huán)境的變化應在允許范圍內(nèi)具有良好的耐腐性性能具有較好的力學特性，韌性好、抗壓強度高、可加工等價格合理，經(jīng)濟性好電氣學院永磁體材料的選擇永磁體及其性能多種多樣，如何選擇合適的永磁材鐵氧體：適合于對電機體積、重量和性能要求不高，而對電機的經(jīng)濟性要求高的場合。鋁鎳鈷：適合于對電機體積、重量和性能要求不高，但工

17、作溫度超過300度或要求溫度穩(wěn)定性好且電機的成本不高的場合。釹鐵硼：適合于對電機體積、重量和性能要求很高，工作環(huán)境溫度不高，對永磁體溫度穩(wěn)定性要求不高的場合。稀土鈷：適合于對電機體積、重量和性能要求很高，工作環(huán)境溫度高，要求溫度穩(wěn)定性好，制造成本不是主要考慮因素的場合。粘結永磁材料：適合批量大、磁極形狀復雜、電機性能要求不高的場合。電氣學院鐵氧體：適合于對電機體積、重量和性能要求不高，而對電機的經(jīng)濟永磁無刷直流電機簡介課件轉子設計轉子設計轉子設計轉子設計損耗與效率概述電機損耗可分為下列5類：（1）定、轉子鐵心中的基本鐵耗，它是由主磁場在鐵心中發(fā)生變化時產(chǎn)生的。（2）空載時鐵心中的附加（或雜散）損耗，它是由定轉子開槽引起的氣隙磁導變化而產(chǎn)生的諧波磁場在對方表面產(chǎn)生的表面損耗及脈振損