1、-1-第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機控制電機控制電機-2- 直流電動機由于調速性能好、堵轉轉矩大等優點而直流電動機由于調速性能好、堵轉轉矩大等優點而在各種運動控制系統中等到廣泛應用，但是直流電動機在各種運動控制系統中等到廣泛應用，但是直流電動機具有電刷和換向器裝置，運行時所形成的具有電刷和換向器裝置，運行時所形成的機械摩擦機械摩擦嚴重嚴重影響了電機的精度和可靠性，因摩擦而產生的火花還會影響了電機的精度和可靠性，因摩擦而產生的火花還會引起無線電干擾。電刷和換向器裝置使直流電動機結構引起無線電干擾。電刷和換向器裝置使直流電動機結構復雜、噪音大，維護也比較困難。所以，長期以來人們復雜、噪

2、音大，維護也比較困難。所以，長期以來人們在不斷尋求在不斷尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-3- 隨著電子技術、隨著電子技術、 計算機技術和永磁材料的迅速發計算機技術和永磁材料的迅速發展，誕生了無刷直流電動機。這種電動機是典型的展，誕生了無刷直流電動機。這種電動機是典型的機電機電一體化產品一體化產品，它利用電子開關線路和位置傳感器來代替，它利用電子開關線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，電刷和換向器，既具有直流電動機的運行特性，又具有既具有直流電動機的運行特性，又具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等

3、優點。交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優點。另另外，它的轉速不再受機械換向的限制，可以制成轉速高外，它的轉速不再受機械換向的限制，可以制成轉速高達每分鐘幾十萬轉的高速電動機。達每分鐘幾十萬轉的高速電動機。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-4-第一節第一節 無刷直流電動機的組成及原理無刷直流電動機的組成及原理一、基本組成一、基本組成第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-5-1.1.電動機本體電動機本體第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-6-第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-7-2. 2. 電子開關線路電子開關線路第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動

4、機-8-3. 3. 轉子位置傳感器轉子位置傳感器 位置傳感器也是無刷直流電動機的重要組成部分，位置傳感器也是無刷直流電動機的重要組成部分，其作用是檢測轉子磁場相對于定子各相繞組的位置，以其作用是檢測轉子磁場相對于定子各相繞組的位置，以確定各相繞組導通和關斷的順序。它有多種結構形式，確定各相繞組導通和關斷的順序。它有多種結構形式，常見的有常見的有電磁式電磁式、光電式光電式和和霍爾元件式霍爾元件式，其基本原理可，其基本原理可參閱有關檢測技術的書籍。參閱有關檢測技術的書籍。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-9-二、工作原理二、工作原理 與普通結構的永磁直流電動機不同，在無刷直流電與普通結構

5、的永磁直流電動機不同，在無刷直流電動機中，動機中，電樞繞組放置在定子上，永磁體則放置在轉子電樞繞組放置在定子上，永磁體則放置在轉子上上。定子各相電樞繞組相對于轉子永磁體的位置，由轉。定子各相電樞繞組相對于轉子永磁體的位置，由轉子位置傳感器通過電子方式或電磁方式所感知，并利用子位置傳感器通過電子方式或電磁方式所感知，并利用其輸出信號，通過電子開關線路，按照一定的邏輯程序其輸出信號，通過電子開關線路，按照一定的邏輯程序去驅動與電樞繞組相連接的電力電子開關器件，把電流去驅動與電樞繞組相連接的電力電子開關器件，把電流導通到相應的電樞繞組。導通到相應的電樞繞組。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機

6、-10- 隨著轉子的連續旋轉，位置傳感器不斷地發送轉子隨著轉子的連續旋轉，位置傳感器不斷地發送轉子位置信號，使電樞繞組不斷地依次通電，不斷地改變通位置信號，使電樞繞組不斷地依次通電，不斷地改變通電狀態，從而使得轉子各磁極下電樞導體中流過電流的電狀態，從而使得轉子各磁極下電樞導體中流過電流的方向始終不變。方向始終不變。 這就是無刷直流電動機電子換向的實這就是無刷直流電動機電子換向的實質。質。 下面就以下面就以三相導通三相星形六狀態三相導通三相星形六狀態的無刷直流電動的無刷直流電動機為例（圖機為例（圖6-5），進一步說明無刷直流電動機的工作原），進一步說明無刷直流電動機的工作原理。理。 第六章第六

7、章 無刷直流電動機無刷直流電動機-11-第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-12-第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機電源正極電源正極V1管和管和V5管管A相和相和C相繞組相繞組B相繞組相繞組V6管管電源負極電源負極 電源正極電源正極V1管管A相繞組相繞組B相和相和C相繞組相繞組V6管和管和V2管管電源負極電源負極 “A+B-C+”通電狀態通電狀態 “A+B-C-”通電狀態通電狀態 -13-第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-14- 從表從表6-1可以看出，在可以看出，在1個周期內電動機共有個周期內電動機共有6個通電狀態，個通電狀態，每個狀態都是三相同時導通，每次換向都只

8、有一個開關器件的狀每個狀態都是三相同時導通，每次換向都只有一個開關器件的狀態發生改變，而每個開關器件持續導通的角度均為態發生改變，而每個開關器件持續導通的角度均為180電角度。電角度。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-15- 綜合以上分析可以看出，無刷直流電動機通過檢測綜合以上分析可以看出，無刷直流電動機通過檢測轉子磁極的若干位置，來決定定子側逆變電路開關器件轉子磁極的若干位置，來決定定子側逆變電路開關器件的通斷時刻，從而保證定子合成磁動勢在平均意義上與的通斷時刻，從而保證定子合成磁動勢在平均意義上與轉子永磁體磁動勢同步，轉子永磁體磁動勢同步，這也是無刷直流電動機有這也是無刷直流電

9、動機有“同同步電動機步電動機”之稱的一個重要原因之稱的一個重要原因。顯然，無刷直流電動。顯然，無刷直流電動機定子合成磁動勢所產生的是一種機定子合成磁動勢所產生的是一種跳躍式的旋轉磁場跳躍式的旋轉磁場，因此因此相應的電磁轉矩必然存在一定的脈動相應的電磁轉矩必然存在一定的脈動。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-16-第二節第二節 無刷直流電動機的電樞反應無刷直流電動機的電樞反應 電動機負載時電樞繞組電流所產生的磁場對主磁場電動機負載時電樞繞組電流所產生的磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。的影響稱為電樞反應。無刷直流電動機的電樞反應與電無刷直流電動機的電樞反應與電樞繞組的連接方式、逆變電路的

10、通電方式、電動機的轉樞繞組的連接方式、逆變電路的通電方式、電動機的轉向、狀態角的大小以及電機磁路的飽和程度都有關系。向、狀態角的大小以及電機磁路的飽和程度都有關系。 下面以下面以三相導通三相星形六狀態三相導通三相星形六狀態的無刷直流電動機的無刷直流電動機為例，分析其電樞反應的基本特點。為例，分析其電樞反應的基本特點。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-17- 選取圖選取圖6-6(a)6-6(a)所示的所示的“A A+ +B B- -C C+ +”通電狀態通電狀態， 在磁極在磁極位置角位置角分別等于分別等于0 0、/6、/3時將時將電樞磁動勢電樞磁動勢F FS S沿轉子沿轉子直軸和交軸

11、方向分解，得到直軸和交軸方向分解，得到直軸電樞磁動勢直軸電樞磁動勢F FSdSd和和交軸電交軸電樞磁動勢樞磁動勢F FSqSq，如圖，如圖6-76-7所示。所示。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-18- 由圖可見，在一個通電狀態內，直軸電樞磁動勢在由圖可見，在一個通電狀態內，直軸電樞磁動勢在剛開始時，呈現剛開始時，呈現最大去磁最大去磁 圖圖6-7(a)6-7(a)，=0 ，然后去磁，然后去磁作用逐漸減小；在作用逐漸減小；在1/21/2通電狀態時，直軸電樞磁動勢為通電狀態時，直軸電樞磁動勢為零，零，既不去磁也不增磁既不去磁也不增磁 圖圖6-7(b)6-7(b)，=/6 ；在后半個通；

12、在后半個通電狀態內，直軸電樞磁動勢的增磁作用逐漸加大，最后電狀態內，直軸電樞磁動勢的增磁作用逐漸加大，最后達到達到最大增磁最大增磁 圖圖6-7(c)6-7(c)，=/ /6 。 直軸電樞磁動勢的最大值為直軸電樞磁動勢的最大值為 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機2sinmSSdmFF（6-1）電樞繞組合成磁動勢的幅值電樞繞組合成磁動勢的幅值 m/3狀態角狀態角 -19- 無刷直流電動機的狀態角一般較大無刷直流電動機的狀態角一般較大，直軸電樞反應，直軸電樞反應磁動勢可以達到相當大的數值，磁動勢可以達到相當大的數值，若永磁材料磁性能不佳若永磁材料磁性能不佳或設計不合理，極有可能造成永磁體永

13、久失磁，這是需或設計不合理，極有可能造成永磁體永久失磁，這是需要特別注意的問題。要特別注意的問題。 與普通直流電動機一樣，與普通直流電動機一樣，交軸電樞磁動勢對主磁場交軸電樞磁動勢對主磁場的影響是使氣隙磁場波形發生畸變的影響是使氣隙磁場波形發生畸變。對于。對于徑向充磁的表徑向充磁的表面式轉子結構面式轉子結構 圖圖6-8(a)6-8(a)，由于交軸方向上永磁體本身，由于交軸方向上永磁體本身的磁阻很大，故交軸電樞磁動勢所引起的氣隙磁場畸變的磁阻很大，故交軸電樞磁動勢所引起的氣隙磁場畸變較小，通常可以不予考慮。較小，通常可以不予考慮。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-20-第六章第六章

14、無刷直流電動機無刷直流電動機-21- 對于對于切向充磁的內嵌式轉子結構切向充磁的內嵌式轉子結構 圖圖6-8(b)6-8(b)，由于，由于交軸方向上極靴鐵心的磁阻很小，故交軸電樞磁動勢可交軸方向上極靴鐵心的磁阻很小，故交軸電樞磁動勢可導致氣隙磁場發生較大畸變，使主磁極一端磁通加強，導致氣隙磁場發生較大畸變，使主磁極一端磁通加強，另一端磁通削弱。如果磁路不飽和，則加強部分和削弱另一端磁通削弱。如果磁路不飽和，則加強部分和削弱部分相等；反之，則產生一定的飽和去磁作用。部分相等；反之，則產生一定的飽和去磁作用。畸變的畸變的氣隙磁場也會引起電磁轉矩的脈動，不利于電動機的正氣隙磁場也會引起電磁轉矩的脈動，

15、不利于電動機的正常運行，這也是設計時需要注意的問題。常運行，這也是設計時需要注意的問題。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-22-第三節第三節 無刷直流電動機的運行特性無刷直流電動機的運行特性一、等效電路一、等效電路 為簡單起見，以表面式永磁體轉子結構的為簡單起見，以表面式永磁體轉子結構的兩相導通兩相導通三相星形六狀態三相星形六狀態的無刷直流電動機為例進行分析，并作的無刷直流電動機為例進行分析，并作如下假定：如下假定： (1) (1) 氣隙磁密在空間呈梯形波（或近似方波）分布。氣隙磁密在空間呈梯形波（或近似方波）分布。 (2) (2) 三相繞組對稱，其對應的電路單元也完全一致。三相繞組

16、對稱，其對應的電路單元也完全一致。 (3) (3) 忽略電樞齒槽效應、電樞反應和換向過程等的忽略電樞齒槽效應、電樞反應和換向過程等的影響。影響。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-23-定子三相繞組的電壓平衡方程為定子三相繞組的電壓平衡方程為 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機（6-2）cbacbacbacbap000000eeeiiiLMMMLMMMLiiiRRRuuu當三相繞組為當三相繞組為Y Y聯接且沒有中線時聯接且沒有中線時0cbaiii（6-3）acbMiMiMi（6-4）-24-第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機cbacbacbacbap0000000000

17、00eeeiiiMLMLMLiiiRRRuuu（6-5）-25-二、基本公式二、基本公式1. 1. 感應電動勢感應電動勢第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-26-單根導體在氣隙磁場中的感應電動勢為單根導體在氣隙磁場中的感應電動勢為 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機（6-6）vlBea電樞導體的有效長度電樞導體的有效長度 導體的線速度導體的線速度 26060Dnp nv設電樞繞組每相串聯匝數為設電樞繞組每相串聯匝數為N N，每相繞組的感應電動勢，每相繞組的感應電動勢eNE2（6-7）-27-梯形波氣隙磁密的每極磁通為梯形波氣隙磁密的每極磁通為 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直

18、流電動機ailB（6-8）比較式（比較式（6-66-6）與式（）與式（6-86-8），可得），可得 計算極弧系數計算極弧系數 npei602（6-9）-28-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 無刷直流電動機無刷直流電動機（6-10） 從直流端看，任何時刻兩相導通三相星形無刷直流從直流端看，任何時刻兩相導通三相星形無刷直流電動機的感應電動勢都是兩相繞組感應電動勢的串聯，電動機的感應電動勢都是兩相繞組感應電動勢的串聯，所以有所以有 npNEi15ei2215pNEEnCn（6-11）ei215pNC-29-2. 2. 電樞電流電樞電流 不考慮開關器件動作的過渡

19、過程，并忽略電樞繞組不考慮開關器件動作的過渡過程，并忽略電樞繞組的電感，無刷直流電動機的電壓平衡方程式可以簡化為的電感，無刷直流電動機的電壓平衡方程式可以簡化為（6-12）第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機aad22RIEUU開關器件的管壓降開關器件的管壓降 daa22UUEIR（6-13）-30-3. 3. 電磁轉矩電磁轉矩 無刷直流電動機的電磁功率為無刷直流電動機的電磁功率為第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機aem2EIP（6-14） 根據電動機電磁功率與電磁轉矩的基本關系，無刷根據電動機電磁功率與電磁轉矩的基本關系，無刷直流電動機的電磁轉矩為直流電動機的電磁轉矩為 ema

20、eaTai24PEIpNTICI（6-15）iT4pNC 602 n-31-4. 4. 電機轉速電機轉速 由式（由式（6-116-11）、式（）、式（6-126-12），可得無刷直流電動機），可得無刷直流電動機的轉速為的轉速為 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機（6-16）在理想空載情況下，電機轉速為在理想空載情況下，電機轉速為 ed22CRIUUnaaddi0ei227.5215UUUUUnpNCpN（6-17）-32- 由以上推導過程可以看出，無刷直流電動機的基本由以上推導過程可以看出，無刷直流電動機的基本公式與普通直流電動機是相似的，因此公式與普通直流電動機是相似的，因此可以預計

21、無刷直可以預計無刷直流電動機具有和普通直流電動機一樣優良的運行特性。流電動機具有和普通直流電動機一樣優良的運行特性。三、運行特性三、運行特性1. 1. 機械特性機械特性 由式（由式（6-166-16）和式（）和式（6-156-15）可以得到無刷直流電動）可以得到無刷直流電動機的機械特性方程機的機械特性方程 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機ddedeee2eT222(2)2aaaUUI RUUnTURC CUTCC（6-18）斜率斜率 -33- 相應的特性曲線如圖相應的特性曲線如圖6-116-11所示。可見，無刷直流電所示。可見，無刷直流電動機的機械特性為一直線，隨著直流電源電壓的增加

22、，動機的機械特性為一直線，隨著直流電源電壓的增加，機械特性向上平移，而機械特性向上平移，而直線斜率直線斜率保持不變。保持不變。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機開關器件的管壓開關器件的管壓降增大，使實際降增大，使實際加在電樞繞組上加在電樞繞組上的電壓減小。的電壓減小。 -34-2. 2. 調節特性調節特性 根據式（根據式（6-186-18），并利用），并利用T Te e= =T TL L的關系，可以得到無的關系，可以得到無刷直流電動機的調節特性方程刷直流電動機的調節特性方程第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機dL(2)nUUT（6-19）始動電壓始動電壓U0 -35- 相應的調

23、節特性曲線如圖相應的調節特性曲線如圖6-126-12所示。可見，無刷直所示。可見，無刷直流電動機的調節特性也為一直線，隨著負載轉矩的增加，流電動機的調節特性也為一直線，隨著負載轉矩的增加，機械特性向右平移，而機械特性向右平移，而直線斜率直線斜率 保持不變。保持不變。 從以上分析可以看出，從以上分析可以看出，無刷直流電動機的兩個主要無刷直流電動機的兩個主要運行特性運行特性機械特性和調節特性都是線性的，可以通機械特性和調節特性都是線性的，可以通過調節直流電源電壓實現無級調速，過調節直流電源電壓實現無級調速， 調速控制性能優調速控制性能優異。異。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-36-第

24、四節第四節 無刷直流電動機的轉矩脈動無刷直流電動機的轉矩脈動* * 無刷直流電動機輸出轉矩大，動態響應迅速，調速無刷直流電動機輸出轉矩大，動態響應迅速，調速控制方便，可靠性高，因此它的應用越來越廣泛。控制方便，可靠性高，因此它的應用越來越廣泛。 但但是，無刷直流電動機是，無刷直流電動機固有的轉矩脈動問題固有的轉矩脈動問題卻一直限制著卻一直限制著其在高精度系統中的應用。對于高精度系統，轉矩脈動其在高精度系統中的應用。對于高精度系統，轉矩脈動是衡量無刷直流電動機性能的一項重要指標。因此，分是衡量無刷直流電動機性能的一項重要指標。因此，分析轉矩脈動形成的原因，研究消除或抑制轉矩脈動的方析轉矩脈動形成

25、的原因，研究消除或抑制轉矩脈動的方法具有十分重要的意義。法具有十分重要的意義。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-37- 造成無刷直流電動機轉矩脈動的原因很多，主要可造成無刷直流電動機轉矩脈動的原因很多，主要可以分為以下五個方面：以分為以下五個方面：1. 1. 電磁因素引起的轉矩脈動電磁因素引起的轉矩脈動 這是由于定子電流和轉子磁場相互作用而產生的轉這是由于定子電流和轉子磁場相互作用而產生的轉矩脈動，它與電流波形、感應電動勢波形、氣隙磁通密矩脈動，它與電流波形、感應電動勢波形、氣隙磁通密度的分布有著直接關系。度的分布有著直接關系。 （1 1）優化設計法）優化設計法 （2 2）最佳開通角

26、法）最佳開通角法 （3 3）諧波消去法）諧波消去法 （4 4）轉矩反饋）轉矩反饋法法第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-38-2. 2. 電流換向引起的轉矩脈動電流換向引起的轉矩脈動 無刷直流電動機工作時，無刷直流電動機工作時， 定子繞組按一定順序換定子繞組按一定順序換流。由于各相繞組存在電感，阻礙電流的瞬時變化，每流。由于各相繞組存在電感，阻礙電流的瞬時變化，每經過一個磁狀態，電樞繞組中的電流從某一相切換到另經過一個磁狀態，電樞繞組中的電流從某一相切換到另一相時將引起電磁轉矩的脈動。一相時將引起電磁轉矩的脈動。 （1 1）電流反饋法）電流反饋法 （2 2）滯環電流法）滯環電流法 （3

27、 3）重疊換向法）重疊換向法 （4 4）PWMPWM斬波法斬波法第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-39-3. 3. 齒槽效應引起的轉矩脈動齒槽效應引起的轉矩脈動 無刷直流電動機定子鐵心為了安放定子繞組必然要無刷直流電動機定子鐵心為了安放定子繞組必然要有齒和槽，由于定子齒槽的存在，引起氣隙不均勻，一有齒和槽，由于定子齒槽的存在，引起氣隙不均勻，一個齒距內的磁通相對集中于齒部，個齒距內的磁通相對集中于齒部， 使氣隙磁導不是常使氣隙磁導不是常數。數。當轉子旋轉時，氣隙磁場就要發生變化，產生齒槽當轉子旋轉時，氣隙磁場就要發生變化，產生齒槽力矩。力矩。齒槽力矩與轉子位置有關，因而引起轉矩脈動。

28、齒槽力矩與轉子位置有關，因而引起轉矩脈動。齒槽力矩是永磁電機的固有特性，在電機低速輕載運行齒槽力矩是永磁電機的固有特性，在電機低速輕載運行時，齒槽力矩將引起明顯的轉速波動，進而產生振動和時，齒槽力矩將引起明顯的轉速波動，進而產生振動和噪聲。因此，如何削弱齒槽力矩是永磁電機設計中較為噪聲。因此，如何削弱齒槽力矩是永磁電機設計中較為重要的目標之一。重要的目標之一。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-40-4. 4. 電樞反應引起的轉矩脈動電樞反應引起的轉矩脈動 無刷直流電動機的電樞反應比較復雜，根據電樞反無刷直流電動機的電樞反應比較復雜，根據電樞反應的性質，電樞反應磁動勢可分解為交軸分量和

29、直軸分應的性質，電樞反應磁動勢可分解為交軸分量和直軸分量。量。 交軸電樞反應磁動勢交軸電樞反應磁動勢 會使氣隙主磁場波形發生畸會使氣隙主磁場波形發生畸變，使氣隙主磁場的磁感應強度不再是空載時的方波，變，使氣隙主磁場的磁感應強度不再是空載時的方波，感應電動勢也隨之畸變，從而導致感應電動勢與電樞電感應電動勢也隨之畸變，從而導致感應電動勢與電樞電流的不匹配，進而引起轉矩脈動。流的不匹配，進而引起轉矩脈動。 直軸電樞反應磁動勢直軸電樞反應磁動勢在轉子旋轉過程中對主磁場先在轉子旋轉過程中對主磁場先去磁、后增磁，使負載每極總磁通在空載每極總磁通的去磁、后增磁，使負載每極總磁通在空載每極總磁通的附近變化。附

30、近變化。 這樣，這樣， 感應電動勢和電磁轉矩也要發生變感應電動勢和電磁轉矩也要發生變化，但影響不大。化，但影響不大。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-41-5. 5. 機械加工引起的轉矩脈動機械加工引起的轉矩脈動 機械加工和材料的不一致也是引起無刷直流電動機機械加工和材料的不一致也是引起無刷直流電動機轉矩脈動的重要原因之一。如電機機械加工及裝配時產轉矩脈動的重要原因之一。如電機機械加工及裝配時產生的尺寸和形位偏差，定子沖片各槽分布不均勻，定子生的尺寸和形位偏差，定子沖片各槽分布不均勻，定子內外圓偏心，內外圓偏心， 定、轉子同軸度偏差等產生的單邊磁拉定、轉子同軸度偏差等產生的單邊磁拉

31、力，軸承系統的摩擦轉矩不均勻，轉子位置傳感器定位力，軸承系統的摩擦轉矩不均勻，轉子位置傳感器定位不準導致的轉矩脈動，各相繞組參數不對稱及電子元器不準導致的轉矩脈動，各相繞組參數不對稱及電子元器件性能參數的差異而導致的轉矩脈動，磁路中各零件材件性能參數的差異而導致的轉矩脈動，磁路中各零件材料特別是永磁體性能不一致而產生的轉矩脈動等等。因料特別是永磁體性能不一致而產生的轉矩脈動等等。因此，此，提高工藝加工水平也是減少轉矩脈動的重要措施。提高工藝加工水平也是減少轉矩脈動的重要措施。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-42-第五節第五節 無刷直流電動機的選用無刷直流電動機的選用一、無刷直流電動

32、機的主要技術數據一、無刷直流電動機的主要技術數據 (1) (1) 電動機常數電動機常數K KM M。 是電動機的一個品質指標，單是電動機的一個品質指標，單位為位為N Nm/Wm/W1/21/2。對于一個給定體積的電動機而言，。對于一個給定體積的電動機而言，K KM M值越值越高，電動機的功率就越大。高，電動機的功率就越大。 (2) (2) 電動勢常數電動勢常數K Ke e。 指在單位轉速下電樞繞組所感指在單位轉速下電樞繞組所感應產生的電壓，應產生的電壓，K Ke e= =C Ce e。 (3) (3) 力矩常數力矩常數K KT T。 指在單位電樞電流下所產生的電指在單位電樞電流下所產生的電磁轉

33、矩，又稱為力矩靈敏度，磁轉矩，又稱為力矩靈敏度，K KT T= =C CT T。 (4) (4) 電氣時間常數電氣時間常數e e。指當給電樞繞組施加單位階指當給電樞繞組施加單位階躍輸入電壓后，電樞電流達到躍輸入電壓后，電樞電流達到63%63%穩態值所需的時間。穩態值所需的時間。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-43- (5) (5) 峰值力矩峰值力矩T Tp p。 指在冷態（指在冷態（2020C C）條件下，在）條件下，在10s10s之內電樞繞組的溫度不超過最大允許值的情況下，之內電樞繞組的溫度不超過最大允許值的情況下，電動機所能安全產生的力矩。當然，產生峰值力矩時也電動機所能安全產

34、生的力矩。當然，產生峰值力矩時也不應超出永磁體所允許的最大去磁磁動勢。不應超出永磁體所允許的最大去磁磁動勢。 (6) (6) 連續堵轉力矩連續堵轉力矩T TCSCS。 指在轉子被堵轉和無限長指在轉子被堵轉和無限長的時間周期內電樞繞組的溫度不超過最大允許值的條件的時間周期內電樞繞組的溫度不超過最大允許值的條件下，電動機所能安全產生的力矩。連續堵轉力矩是在規下，電動機所能安全產生的力矩。連續堵轉力矩是在規定的安裝條件下，如安裝在什么形狀、什么尺寸和由什定的安裝條件下，如安裝在什么形狀、什么尺寸和由什么材料制成的散熱板上測量得到的數值。么材料制成的散熱板上測量得到的數值。第六章第六章 無刷直流電動機

35、無刷直流電動機-44-二、無刷直流電動機與永磁同步電動機的比較二、無刷直流電動機與永磁同步電動機的比較 無刷直流電動機將電子線路與電機融為一體，把先無刷直流電動機將電子線路與電機融為一體，把先進的電子技術、微機控制技術應用于電機領域，是典型進的電子技術、微機控制技術應用于電機領域，是典型的機電一體化產品，促進了電機及控制技術的發展。無的機電一體化產品，促進了電機及控制技術的發展。無刷直流電動機屬于刷直流電動機屬于永磁式電動機永磁式電動機。目前，在自動控制系。目前，在自動控制系統中普遍使用的永磁電動機有兩大類，即統中普遍使用的永磁電動機有兩大類，即無刷直流電動無刷直流電動機機BDCMBDCM（B

36、rushless DC MotorBrushless DC Motor）和和永磁同步電動機永磁同步電動機PMSMPMSM（Permanent Magnet Synchronous MotorPermanent Magnet Synchronous Motor）。這里將兩。這里將兩者的主要區別做個比較，以備選用電機之參考。者的主要區別做個比較，以備選用電機之參考。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-45-1. 1. 設計理念設計理念 設計無刷直流電動機的出發點是用裝有永磁體的轉設計無刷直流電動機的出發點是用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極，將原直流電動機的子取代有刷直流電動機

37、的定子磁極，將原直流電動機的轉子電樞變為定子轉子電樞變為定子，如圖，如圖6-136-13所示。有刷直流電動機是所示。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流，依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流，而而BDCMBDCM是將方波電流（實際上也是梯形波）直接輸入定是將方波電流（實際上也是梯形波）直接輸入定子，其好處就是省去了機械換向器和電刷，也稱為電子子，其好處就是省去了機械換向器和電刷，也稱為電子換向。為產生恒定電磁轉矩，要求系統向換向。為產生恒定電磁轉矩，要求系統向BDCMBDCM輸入三相輸入三相對稱方波電流，同時要求對稱方波電流，同時要求BDCMBDCM的每相感

38、應電動勢為梯形的每相感應電動勢為梯形波，因此也稱波，因此也稱BDCMBDCM為為方波電動機方波電動機。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-46-第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-47- 而設計永磁同步電動機的出發點是直接用永磁體取而設計永磁同步電動機的出發點是直接用永磁體取代電勵磁同步電動機轉子上的勵磁繞組，以省去勵磁線代電勵磁同步電動機轉子上的勵磁繞組，以省去勵磁線圈、滑環和電刷，圈、滑環和電刷，如圖如圖6-146-14所示。所示。PMSMPMSM的定子與電勵磁的定子與電勵磁同步電動機基本相同，要求輸入定子的電流仍然是三相同步電動機基本相同，要求輸入定子的電流仍然是三相正

39、弦的。為產生恒定電磁轉矩，要求系統向正弦的。為產生恒定電磁轉矩，要求系統向PMSMPMSM輸入三輸入三相對稱正弦電流，同時要求相對稱正弦電流，同時要求PMSMPMSM的每相感應電動勢為正的每相感應電動勢為正弦波，因此也稱弦波，因此也稱PMSMPMSM為為正弦波電動機正弦波電動機。 第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-48-第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-49-2. 2. 結構型式結構型式 由于氣隙磁密等的波形不同（圖由于氣隙磁密等的波形不同（圖6-156-15），兩者定、），兩者定、轉子的結構均有所差別。轉子的結構均有所差別。無刷直流電動機無刷直流電動機的定子通常采的定子通

40、常采用整距集中繞組，轉子永磁體則采用表面瓦片式結構，用整距集中繞組，轉子永磁體則采用表面瓦片式結構，永磁體厚度均勻；而永磁體厚度均勻；而永磁同步電動機永磁同步電動機的定子采用短距分的定子采用短距分布繞組，轉子永磁體主要有兩類：一類是表面永磁體結布繞組，轉子永磁體主要有兩類：一類是表面永磁體結構，另一類是內置永磁體結構。這兩種結構均可確保氣構，另一類是內置永磁體結構。這兩種結構均可確保氣隙磁密的波形接近正弦。隙磁密的波形接近正弦。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-50-第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-51-第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-52-3. 3. 控制方

41、式控制方式 當由變頻電源供電時，當由變頻電源供電時，永磁同步電動機永磁同步電動機可在開環控可在開環控制下調速運行，起動時轉子上無需另裝起動繞組。若轉制下調速運行，起動時轉子上無需另裝起動繞組。若轉軸上裝有位置傳感器，則可構成基于位置反饋、閉環控軸上裝有位置傳感器，則可構成基于位置反饋、閉環控制的自控式永磁同步電動機；制的自控式永磁同步電動機；無刷直流電動機無刷直流電動機的轉軸上的轉軸上一般裝有位置傳感器，并做成自控式。一般裝有位置傳感器，并做成自控式。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-53-4. 4. 電磁轉矩電磁轉矩 永磁同步電動機永磁同步電動機利用旋轉變壓器或旋轉編碼器連續利用旋

42、轉變壓器或旋轉編碼器連續檢測轉子位置，并根據轉子的轉速隨時調整定子側逆變檢測轉子位置，并根據轉子的轉速隨時調整定子側逆變器的控制頻率，以確保定子旋轉磁動勢與轉子永磁體磁器的控制頻率，以確保定子旋轉磁動勢與轉子永磁體磁動勢同步，因此所產生的電磁轉矩基本上是恒定的；而動勢同步，因此所產生的電磁轉矩基本上是恒定的；而無刷直流電動機無刷直流電動機則僅需檢測轉子的若干位置即可，根據則僅需檢測轉子的若干位置即可，根據這些位置便可決定定子側逆變器開關器件的通斷時刻，這些位置便可決定定子側逆變器開關器件的通斷時刻，從而保證定子旋轉磁動勢在平均意義上與轉子永磁體磁從而保證定子旋轉磁動勢在平均意義上與轉子永磁體磁

43、動勢同步，因此所產生的電磁轉矩存在一定的脈動。動勢同步，因此所產生的電磁轉矩存在一定的脈動。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-54-5. 5. 功率密度功率密度 從體積和重量角度看，從體積和重量角度看，無刷直流電動機無刷直流電動機的功率密度的功率密度要比永磁同步電動機高，其功率密度一般是要比永磁同步電動機高，其功率密度一般是永磁同步電永磁同步電動機動機的的1.151.15倍，這主要歸因于無刷直流電動機是方波電倍，這主要歸因于無刷直流電動機是方波電動機，其磁密有效值與幅值的比值要比永磁同步電動機動機，其磁密有效值與幅值的比值要比永磁同步電動機高，單位峰值電流所產生的電磁轉矩（或輸出功率）較高，單位峰值電流所產生的電磁轉矩（或輸出功率）較大。大。第六章第六章 無刷直流電動機無刷直流電動機-55-6. 6. 應用場合應用場合 無刷直流電動機無刷直流電動機的轉速是通過調節直流端的電壓來的