無刷直流電動機第1頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.1概述直流電動機主要優點是調速和啟動特性好，堵轉轉矩大，因而被廣泛應用于各種驅動裝置和伺服系統中。但是，直流電動機都有電刷和換向器，其間形成的滑動機械接觸嚴重地影響了電機的精度、性能和可靠性，所產生的火花會引起無線電干擾，縮短電機壽命，換向器電刷裝置又使直流電機結構復雜、噪音大、維護困難，因此長期以來人們都在尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機。第2頁，課件共82頁，創作于2023年2月隨著電子技術的迅速發展，各種大功率電子器件的廣泛采用，這種愿望已被逐步實現。本章要介紹的無刷直流電動機利用電子開關線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，使這種電機既具有直流電動機的特性，又具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優點；它的轉速不再受機械換向的限制，若采用高速軸承，還可以在高達每分鐘幾十萬轉的轉速中運行。第3頁，課件共82頁，創作于2023年2月因此，無刷直流電動機用途非常廣泛，可作為一般直流電動機、伺服電動機和力矩電動機等使用，尤其適用于高級電子設備、機器人、航空航天技術、數控裝置、醫療化工等高新技術領域。無刷直流電動機將電子線路與電機融為一體，把先進的電子技術應用于電機領域，這將促使電機技術更新、更快的發展。第4頁，課件共82頁，創作于2023年2月無刷直流電動機是由電動機、轉子位置傳感器和電子開關線路三部分組成，它的原理框圖如圖10-1所示。圖中直流電源通過開關線路向電動機定子繞組供電，電動機轉子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發開關線路中的功率開關元件使之導通或截止，從而控制電動機的轉動。第5頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-1無刷直流電動機的原理框圖第6頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.2無刷直流電動機的基本結構無刷直流電動機的基本結構如圖10-2所示。圖中電動機結構與永磁式同步電動機相似，轉子是由永磁材料制成一定極對數的永磁體，但不帶鼠籠繞組或其它啟動裝置，主要有兩種結構型式，如圖10-3(a)和(b)所示。第一種結構是轉子鐵心外表面粘貼瓦片形磁鋼，稱為凸極式；第二種結構是磁鋼插入轉子鐵心的溝槽中，稱為內嵌式或隱極式。第7頁，課件共82頁，創作于2023年2月初期永磁材料多采用鐵氧體或鋁鎳鈷，現在已逐步采用高性能釤鈷或釹鐵硼。定子是電動機的電樞。定子鐵心中安放著對稱的多相繞組，可接成星形或封閉形(角形)，各相繞組分別與電子開關線路中的相應晶體管相連接。電子開關線路有橋式和非橋式兩種。圖10-4表示常用的幾種電樞繞組連接方式，其中圖(a)、(b)是非橋式開關電路，其它是橋式開關電路。第8頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-2無刷直流電動機的基本結構第9頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-3永磁轉子結構型式第10頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-4電樞繞組連接方式第11頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.2.1電磁式這種傳感器的結構如圖10-5所示。它由定子和轉子兩部分組成。定子磁心及轉子上的扇形部分均由高頻導磁材料(如軟磁鐵氧體)制成，導磁扇形片數等于電機極對數，放置在不導磁的鋁合金圓盤上制成了轉子。傳感器定子由磁心和線圈組成，磁心的結構特點是中間為圓柱體，安放勵磁繞組，外施高頻電源勵磁。圓周上沿軸向有凸出的極，極上套著信號線圈產生信號電壓?？梢钥闯?，這實際上是一個有共同勵磁線圈的幾個開口變壓器，扇形導磁片的作用是使開口變壓器鐵心接近閉合，減少磁阻，使信號線圈感應出較大的電勢。第12頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-5電磁式位置傳感器(a)結構原理圖；(b)剖面圖第13頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.2.2光電式光電式傳感器是由固定在定子上的幾個光電耦合開關和固定在轉子軸上的遮光盤所組成，如圖10-6所示。遮光盤上按要求開出光槽(孔)，幾個光電耦合開關沿著圓周均布，每只光電耦合開關是由相互對著的紅外發光二極管(或激光器)和光電管(光電二極管，三極管或光電池)所組成。紅外發光二極管(或激光器)通上電后，發出紅外光(或激光)；當遮光盤隨著轉軸轉動時，光線依次通過光槽(孔)，使對著的光電管導通，相應地產生反應轉子相對定子位置的電信號，經放大后去控制功率晶體管，使相應的定子繞組切換電流。第14頁，課件共82頁，創作于2023年2月光電式位置傳感器產生的電信號一般都較弱，需要經過放大才能去控制功率晶體管。但它輸出的是直流電信號，不必再進行整流，這是它的一個優點。第15頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-6光電式位置傳感器第16頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-7霍爾無刷直流電動機原理圖第17頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.2.3霍爾元件采用霍爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動機通常稱為“霍爾無刷直流電動機”。由于無刷直流電動機的轉子是永磁的，就可以很方便地利用霍爾元件的“霍爾效應”檢測轉子的位置。圖10-7表示四相霍爾無刷直流電動機原理圖。圖中兩個霍爾元件H1和H2以間隔90°電角度粘于電機定子繞組A和B的軸線上，并通上控制電流，電機轉子磁鋼兼作位置傳感器的轉子。第18頁，課件共82頁，創作于2023年2月當電機轉子旋轉時磁鋼N極和S極輪流通過霍爾元件H1和H2，因而產生對應轉子位置的兩個正的和兩個負的霍爾電勢，經放大后去控制功率晶體管導通，使四個定子繞組輪流切換電流?；魻枱o刷直流電動機結構簡單，體積小，但安置和定位不便，元件片薄易碎，對環境及工作溫度有一定要求，耐震差。第19頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.3無刷直流電動機工作原理10.3.1三相非橋式星形接法圖10-8表示一臺采用非橋式晶體管開關電路驅動兩極星形三相繞組，并帶有電磁式位置傳感器的無刷直流電動機。轉子位置傳感器的勵磁線圈由高頻振蕩器供電，通過導磁片的作用使信號線圈獲得較大的感應電壓，并經整流、放大加到開關電路功率管的基極上使該管導通，因而與該管串聯的定子繞組也就與外電源接通。第20頁，課件共82頁，創作于2023年2月由于導磁片與電動機轉子同軸旋轉，所以信號線圈Wa、Wb、Wc依次得電，3個功率管依次導通，使定子三相繞組輪流通電。第21頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-8無刷直流電動機工作原理第22頁，課件共82頁，創作于2023年2月當電機轉子處于圖10-8瞬時，位置傳感器PS的扇形導磁片位于圖示位置處，它的信號線圈Wa開始與勵磁線圈相耦合，便有信號電壓輸出，其余兩個信號線圈Wb、Wc的信號電壓為0。線圈Wa供出的信號電壓使晶體管V1開始導通，而晶體管V2、V3截止。這樣，電樞繞組AX有電流通過，電樞磁場Ba的方向如圖中所示。電樞磁場與永磁轉子磁場相互作用就產生轉矩，使轉子按順時針方向旋轉。第23頁，課件共82頁，創作于2023年2月當電機轉子在空間轉過2π/3電角度時，位置傳感器的扇形片也轉過同樣角度，從而使信號線圈Wb開始有信號電壓輸出，Wa、Wc的信號電壓為0。Wb輸出的信號電壓便使晶體管V2開始導通，晶體管V1、V3截止。這樣，電樞繞組BY有電流通過，電樞磁場Ba的方向如圖10-9(a)所示。電樞磁場Ba與永磁轉子磁場相互作用所產生的轉矩，使轉子繼續沿順時針方向旋轉。第24頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-9電樞磁場與轉子磁場間的相對位置第25頁，課件共82頁，創作于2023年2月當轉子在空間轉過4π/3電角度后，位置傳感器使晶體管V3開始導通，V1、V2截止，相應電樞繞組CZ有電流通過。電樞磁場Ba的方向如圖10-9(b)所示，它與轉子磁場相互作用仍使轉子按順時針方向旋轉。若轉子繼續轉過2π/3電角度，回到原來的起始位置(如圖10-9(c))，通過位置傳感器將重復上述的換流情況，如此循環下去，無刷直流電動機在電樞磁場與永磁轉子磁場的相互作用下，能產生轉矩并使電機轉子按一定的轉向旋轉。第26頁，課件共82頁，創作于2023年2月若轉子繼續轉過2π/3電角度，回到原來的起始位置(如圖10-9(c))，通過位置傳感器將重復上述的換流情況，如此循環下去，無刷直流電動機在電樞磁場與永磁轉子磁場的相互作用下，能產生轉矩并使電機轉子按一定的轉向旋轉?？梢钥闯?，在三相星形非橋式的無刷直流電動機中，當轉子轉過2π電角度時，定子電樞繞組共有3個通電狀態；第27頁，課件共82頁，創作于2023年2月每一狀態僅有一相導通，定子電流所產生的電樞磁場在空間跳躍著轉動，相應地在空間也有3個不同的位置，稱為三個磁狀態；每一狀態持續2π/3電角度，這種通電方式稱為一相導通星形三相三狀態。每一晶體管導通時轉子所轉過的空間電角度稱為導通角αc。顯然，轉子位置傳感器的導磁扇形片張角αp至少應該等于導通角αc。通常為了保證前后兩個導通狀態之間不出現間斷，就需要有個短暫的重疊時間，必須使αp略大于αc。電樞磁場在空間保持某一狀態時轉子所轉過的空間電角度，即定子上前后出現的兩個不同磁場軸線間所夾的電角度稱為磁狀態角，或稱狀態角，用αm來表示。第28頁，課件共82頁，創作于2023年2月三相星形非橋式無刷直流電動機各相繞組與各晶體管導通順序的關系如表10-1所示?？梢钥闯?，由于一個磁狀態對應一相導通，所以角αc和αm都等于2π/3。當電機是p對極時，位置傳感器轉子沿圓周應有p個均布的導磁扇形片，每個扇形片張角αp≥2π/(3p)。第29頁，課件共82頁，創作于2023年2月表10-1星形三相三狀態導通順序表第30頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.3.2三相星形橋式接法若定子繞組仍為三相，而功率晶體管接成橋式開關電路如圖10-10所示，相應的位置傳感器原理圖如圖10-11所示。三相電樞繞組與各晶體管導通順序的關系如表10-2所示?？梢钥闯?，電機應有6個通電狀態，每一狀態都是兩相同時導通，每個晶體管導通角仍為αc=2π/3，位置傳感器扇形片張角αp≥2π/(3p)。第31頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-10三相星形橋式開關電路第32頁，課件共82頁，創作于2023年2月電樞合成磁場是由通電的兩相磁場所合成。若每相磁密在空間是正弦分布，用向量合成法可得合成磁密Ba的幅值等于每相磁密幅值的倍，它在空間也相應有6個不同位置，磁狀態角αm=π/3。三相星形橋式電路的通電方式稱為兩相導通星形三相六狀態。第33頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-11三相橋式電路的位置傳感器第34頁，課件共82頁，創作于2023年2月表10-2兩相導通星形三相六狀態導通順序表第35頁，課件共82頁，創作于2023年2月

10.3.3三相封閉形橋式接法封閉式定子繞組只能與橋式晶體管開關電路相組合。圖10-12表示三相封閉形(三角形)橋式接法的原理線路圖。三相電樞繞組與各晶體管導通順序的關系如表10-3所示，可以看出，它與星形接法的區別在于任何磁狀態中電樞繞組全部通電，總是某兩相繞組串聯后再與另一相繞組并聯。在各狀態中僅是各相通電順序與電流流過的方向不同。第36頁，課件共82頁，創作于2023年2月電樞合成磁場是由通電的三相磁場所合成。圖10-13表示B相繞組與C相繞組串聯再與A相繞組并聯，電流由B相流向C相(符號為A∥BC)時的磁密向量圖?？梢?，定子合成磁密Ba的幅值等于每相磁密幅值的1.5倍。三相封閉形橋式接法也有6個通電狀態，磁狀態角αm=π/3，導通角αc=2π/3，位置傳感器導磁扇形片張角αp≥2π/(3p)。這些都與三相星形橋式接法相同。三相封閉形橋式電路的通電方式也稱為封閉形三相六狀態。第37頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-12三相封閉形橋式開關電路第38頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-13對應A∥BC時電樞磁密向量圖第39頁，課件共82頁，創作于2023年2月表10–3封閉形三角六狀態導通順序表第40頁，課件共82頁，創作于2023年2月當定子繞組的相數不同，晶體管開關電路也不同時，其定子繞組與各晶體管導通的關系也就不一樣，并使定子各相繞組的導通情況相應改變，電樞磁勢的磁狀態角亦不同。表10-4列出了與幾種常用的定子繞組連接方式相對應的αc、αm、αp值，以及空載轉速、平均電磁轉矩、平均電流的計算公式。第41頁，課件共82頁，創作于2023年2月表10-4主要特性的計算公式第42頁，課件共82頁，創作于2023年2月第43頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.4無刷直流電動機的運行特性10.4.1電樞電流

以三相非橋式星形接法兩極電機為例，分析無刷直流電動機的運行特性。按上節所述的工作原理，該種接法時的αc=αm=2π/3。為了便于分析，特作如下基本假設：(1)轉子磁鋼產生的磁場在氣隙中沿圓周按正余弦分布；(2)忽略電樞繞組的電感，電樞電流可以突變；第44頁，課件共82頁，創作于2023年2月(3)忽略過渡導通狀態和開關動作的過渡過程，認為每相電流是瞬時產生和切除。無刷直流電動機A相電壓平衡方程式為(10-1)Ua=ea+iaRa+ΔUT

式中，Ua為電源電壓；ea為電樞繞組感應電勢；ia為電樞電流；Ra為電樞繞組平均電阻；ΔUT為功率晶體管飽和管壓降。第45頁，課件共82頁，創作于2023年2月繞組感應電勢(10-2)感應電勢最大值(10-3)式中，WA為電樞繞組每相有效匝數；Φ為每極氣隙磁通；頻率(10-4)第46頁，課件共82頁，創作于2023年2月將式(10-2)代入式(10-1)，可得電樞電流

(10-5)第47頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-14電樞繞組感應電勢波形第48頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-15電樞電流波形第49頁，課件共82頁，創作于2023年2月其波形如圖10-15所示。導通時間內電樞電流平均值(10-6)當轉速n=0時，Em=0，所以堵轉電流

(10-7)第50頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.4.2電磁轉矩電機的電磁轉矩

(10-8)式中，Ω為電機角速度，

(10-9)第51頁，課件共82頁，創作于2023年2月將式(10-2)及(10-5)代入式(10-8)，可得電磁轉矩將式(10-3)及(10-9)代入，可得(10-10)第52頁，課件共82頁，創作于2023年2月由式(10-10)可以看出，在一個磁狀態即在一相導通區間內，由于電勢的脈動使轉矩產生了波動，轉矩的波動會使電機產生噪音和運轉不穩定，所以一般都希望轉矩波動小。由圖10-14可以看出，減小磁狀態角αm可以減小電勢的脈動，因而也就減小了轉矩波動。對于m相電機磁狀態角αm=2π/m，因而增加相數可以減小αm，但電機結構和電子線路就要復雜。第53頁，課件共82頁，創作于2023年2月平均電磁轉矩(10-11)轉速n=0,Em=0，因而平均堵轉轉矩(10-12)第54頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.4.3轉速將式(10-3)和(10-4)代入式(10-6)，可得轉速(10-13)令Ia=0，可得理想空載轉速(10-14)第55頁，課件共82頁，創作于2023年2月

10.4.4系數Ke和KT計算公式的推導與一般直流電動機一樣，在實際使用時，經常需要引用系數Ke和KT來分析無刷直流電動機的特性，現推導這兩個系數的計算公式：

1.電勢系數Ke電勢系數Ke是當電動機單位轉速時在電樞繞組中所產生的感應電勢平均值。由式(10-6)可以看出感應電勢平均值Ea=0.827Em第56頁，課件共82頁，創作于2023年2月因而由式(10-3)及(10-4)可得電勢系數(10-15)式中，Φ單位為Wb；Ke單位為V/(r·min-1

)。第57頁，課件共82頁，創作于2023年2月2.轉矩系數KT轉矩系數KT是當電動機電樞繞組中通入單位電流時電動機所產生的平均電磁轉矩值。由式(10-6)和(10-11)可得轉矩系數(N·m/A)

(10-16)第58頁，課件共82頁，創作于2023年2月

10.4.5機械特性及調節特性反映無刷直流電動機穩態特性的4個基本公式是

電壓平衡方程式Ua=Ea+IaRa+ΔUT感應電勢公式Ea=Ken轉矩平衡方程式T=T0+T2電磁轉矩公式T=KTIa

(10-17)第59頁，課件共82頁，創作于2023年2月由式(10-17)可以看出，無刷直流電動機基本公式與一般直流電動機基本公式在形式上完全一樣，差別只是式中各物理量和系數的計算式不同，另外，電源電壓Ua變成了Ua-ΔUT，因此無刷直流電動機的機械特性和調節特性形狀應與一般直流電動機相同，如圖10-16和圖10-17所示。第60頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-16機械特性曲線第61頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-17調節特性曲線第62頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-16所示的機械特性曲線產生彎曲現象是由于當轉矩較大，轉速較低時流過晶體管和電樞繞組的電流很大，這時，晶體管管壓降ΔUT隨著電流增大而增加較快，使加在電樞繞組上的電壓不恒定而有所減小，因而特性曲線偏離直線變化，向下彎曲。圖中n0、Td可分別由式(10-14)和(10-12)計算。由式(10-11)和(10-13)可分別求得調節特性中的始動電壓Ua0

和斜率K：第63頁，課件共82頁，創作于2023年2月也可仿照一般直流電動機，表達為無刷直流電動機與一般直流電動機一樣具有良好的伺服控制性能，可以通過改變電源電壓實現無級調速。第64頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.4.6其它繞組接法時的運行特性上面分析了較簡單的三相非橋式星形接法時無刷直流電動機的運行特性。當采用其它各種接法時，電機的4個基本關系式和特性曲線形狀不變，只是關系式中各物理量和電勢、轉矩系數有不同的表達式。這些表達式可以采用與上面相同的分析方法求得。表10-

4和表10-5列出了常用的幾種電樞繞組連接方式的有關計算式，可供使用時參考。第65頁，課件共82頁，創作于2023年2月表10-5系數Ka、KT和電樞反應直軸分量最大值Fadm

的計算公式第66頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.5無刷直流電動機的電樞反應電機負載時電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。無刷直流電動機的電樞反應與電樞繞組連接和通電方式有關。下面仍以三相非橋式晶體管開關電路供電的兩極三相無刷電動機為例來分析其電樞反應的特點。第67頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-18無刷直流電動機的電樞反應第68頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-18為定子A相繞組的通電狀態，電樞磁勢Fa的空間位置為A相繞組的軸線方向，并保持不變。磁狀態角αm=2π/3。圖中1和2為磁狀態角所對應的邊界。電樞磁勢Fa可分成直軸分量Fad

和交軸分量Faq

，當轉子磁極軸線處于位置1時，直軸分量磁勢Fad

對轉子有最強的去磁作用；而當轉子磁極軸線處于位置2時，磁勢Fad

對轉子又有最強的增磁作用。因此，電樞磁勢的直軸分量開始是去磁的，然后是增磁的，數值上等于電樞磁勢Fa在轉子磁極軸線上的投影，其最大值為第69頁，課件共82頁，創作于2023年2月實際計算時，應根據電動機可能遇到的情況(如啟動、反轉等)所產生的最大值考慮。在無刷直流電動機中，由于磁狀態角αm比較大，電樞磁勢的直軸分量就可能達到相當大的數值，為了避免使永磁轉子失磁，在設計中必須予以注意。表10-5列出了常用的幾種電樞繞組聯接方式的直軸電樞反應最大值計算式。(10-18)第70頁，課件共82頁，創作于2023年2月當轉子磁極軸線位于αm/2位置處，電樞磁場與轉子磁場正交，電樞磁勢Fa為交軸磁勢，在無刷直流電動機中，由于轉子磁鋼的磁阻很大，因此由電樞磁勢交軸分量Faq

所引起的氣隙磁場波形的畸變就顯得較小，一般可以不計。第71頁，課件共82頁，創作于2023年2月10.6改變無刷直流電動機轉向的方法10.6.1改接位置傳感器的輸出電壓信號這種方法是基于改變勵磁磁場極性實現改變電機轉向的原理。圖10-19(a)和(b)分別表示電樞繞組A相導通時電機正、反轉時的定轉子磁場相對位置。正反轉時電樞電流方向不變，因而電樞磁場BA的方向不變。第72頁，課件共82頁，創作于2023年2月圖10-19正反轉時定轉子磁場相對位置第73頁，課件共82頁，創作于2023年2月正轉時在A相繞組導通時間內，轉子磁極軸線在角π/6與5π/6(1與2)范圍內，平均值為π/2，上半圓轉子極性為N，下半圓為S，定轉子磁場相互作用產生的轉矩是順時針方向，定子繞組通電順序是A→B→C；反轉時轉子磁極軸線應處在角-π/6與-5π/6(1′與2′)范圍內，平均值為-π/2，上半圓轉子極性為S，下半圓為N，這樣電磁轉矩變為依逆時針方向，電機就反轉，定子繞組通電順序變為A→C→B。所以當一相導通時，只要將相應的轉子軸線平均位置改變π電角度，電機就可反轉。第74頁，課件共82頁，創作于2023年2月為了達到上述要求，電動機上應裝有兩套空間相隔π電角度的位置