直流電機培訓教材

1、26七、直流電動機 TOC o 1-5 h z 1、永磁直流電動機262、無刷直流電動機 271）無刷直流電機的組成272）工作原理283）電機調速314）PWM調速的實現(xiàn)325）應用33電流隨時間變化，產生磁勢和磁場在空間旋轉，旋轉速度由電源頻率f和電機極數(shù)P決定。2 60n =fP式中n旋轉磁轉速（r/min ）P 電機極數(shù)f 電源頻率（Hz）在單相電機中，由于單相繞組產生的使脈振磁場，電機沒有起動一、 直流電動機直流電動機分有刷直流電動機和無刷直流電動機，有刷直流電動機又 分為勵磁式直流電動機和永磁直流電動機。在工作原理上永磁直流電機與 勵磁式直流電動機是相同的。下面主要以永磁式直流電動

2、機與無刷直流電 動機進行簡要介紹。1,永磁直流電動機永磁直流電動機與勵磁直流電動機不同之處在于，提供電機的主磁場 的方式不同，永磁直流電動機提供主磁場的是永磁體，而勵磁式直流電機 提供的主磁場則是直流通電的線圈。如下圖所示，當轉子電樞繞組與直流電源接通，電流I a就流過電樞繞組，電樞電流I a在永磁體所建立的磁場中使得通電導體產生電磁力和電磁 轉矩使電機旋轉。2.無刷直流電動機無刷直流電機就是變頻技術與直流電機相結合的產物，具具有效率 高、噪音低、調速范圍寬、調速精度高、振動小、壽命長等優(yōu)點。下面就 空調用無刷直流電機的組成及工作原理作簡要介紹：（1）無刷直流電機的組成：直流電機本體：定子部分

3、主要采用集中式繞組，根據控制方式的不同， 繞組相數(shù)有單相、二相、三相、四相等結構，用得最多的是三相繞組結構， 繞組的接法有星形接法和環(huán)形接法兩種，絕大部分繞組采用星形接法。轉 子部分采用磁鋼，磁鋼提供電機的主磁場。電機控制部分：無刷直流電機的控制方式主要有 PAM（脈幅調制技術） 和PWM脈寬調制技術），兩種控制方式各有優(yōu)缺點。下圖1為高壓有位置 傳感器PWMI動電路原理框圖，主要由控制電路、逆變電路、三角波發(fā)生器、比較器、保護電路等組成。從原理框圖可以看出，無刷直流電機的控 制部分只包含交一直一交變頻電路中的逆變部分，整流及濾波部分由空調 的主電控完成。亂翡穹位置堂福軀眄府理灌圖(2)工作原

4、理：眾所周知，永磁體提供的磁極磁場在電機的旋轉過程中是固定不變的，這就要求每個時刻定子繞組產生的電樞磁場必須與轉子的磁極磁場相對應，即繞組的電流方向、導通與關斷受轉子位置的控制。因此，無刷直流 電機必須有轉子位置信號輸出給電機的控制電路，電機的控制電路根據轉 子位置信號來控制相應的功率開關管的導通與關斷，從而控制相應繞組的 電流方向、導通與關斷。定子繞組若按一定的通電順序進行切換，就可以 形成一個與轉子位置對應的旋轉磁場，使電機按要求的旋轉方向旋轉。相 對磁鋼的某一磁極而言，每個時刻與它對應的電樞磁場是固定的，即繞組 的電流方向是固定的，這與有刷直流電機類似。圖 2為無刷直流電機運行 原理圖，

5、繞組為三相星形接法，120度均布，采用三相半橋驅動方式，轉子 為一對極。在圖示位置，磁鋼的磁極中心線與 A相繞組對齊，此時的控制電路根據轉子位置檢測信號，使 S1開關管觸發(fā)導通，B相繞組通電，在B相繞組磁場的作用下，轉子將順時針旋轉 120度，到達虛線轉子所示的位留無解直流常機運行思理溝置，磁鋼的磁極中心線與 B相繞組對齊，此時，控制電路根據轉子位置檢 測信號，使S1開關管關斷，使S3開關管導通，C相繞組通電，轉子在C相 繞組磁場的作用下，轉子將順時針旋轉 120度，當磁鋼的磁極中心線與 C 相繞組對齊時，控制電路使S3開關管關斷，使S2開關管導通，A相繞組通 電，轉子在A相繞組磁場的作用下，

6、轉子將順時針旋轉 120度。按上述通 電順序循環(huán)導通，轉子就順時針旋轉下去。無刷直流電機采集轉子位置信 號的方式有兩種：采集繞組反電勢信號和采集位置傳感器輸出信號，前者， 電機結構簡單，但電機起動困難；后者，電機結構稍復雜，但起動平穩(wěn)、 可靠，目前，大部分的無刷直流電機均采用后者。位置傳感器的種類很多， 空調用的無刷直流電機一般采用霍爾元件作為位置傳感器。無刷直流電機大部分采用三相星形繞組結構，橋式控制電路，下面就 二相導通星形三相六狀態(tài)的無刷直流電機的驅動原理作詳細的介紹（下圖3為原理框圖）：在此電機結構中，電機一般需要三個霍爾元件，三個霍爾元件輸出的邏輯波形圖和真值表如圖4所示。兩個霍爾元

7、件之間的空間夾角為 120度電角圖勤的出建暑蝦困度，所以，輸出的脈沖信號依次相隔120度電角度。從真值表中可以看出, 每個霍爾元件一次導通180度，每隔60度必有一個霍爾元件的輸出狀態(tài)發(fā) 生切換，三個霍爾元件的輸出狀態(tài)的組合共有六種。與上述的霍爾元件的輸出狀態(tài)相對應， 在一個周期內，三相繞組間隔 60度電角度換相一次，每個時刻有兩相繞組導通，每相繞組連續(xù)導通120度，每相繞組正反向各導通一次，導通時間占三分之二周期。假定電樞各相繞組的導通次序為：UM UW VW VU WU WV則電樞磁勢的向量圖如圖 5所示。電 機轉子在該電樞磁場的作rvu曲)電網軸耨用下，按既定方向旋轉。真值表的參數(shù)必須與

8、控制電路的邏輯程序相吻合，若三個霍爾元件的輸出狀態(tài)的真值表的參數(shù)與控制電路的邏輯程序不吻 合，電樞磁場與轉子主磁場將不匹配，電機將不能運轉或倒轉。(3)電機調速：就調速原理來說，無刷直流電機類似于一般的直流電機，通過改變電 樞兩端的直流電壓大小來改變電動機的轉速。無刷直流電機有兩種改變電 壓的方法：PAMffi PWM PA娓電壓的脈沖寬度保持不變，調節(jié)電壓的幅值 大小來改變電壓的平均值大??；PWME好相反，即電壓脈沖幅值不變，脈沖 寬度可調。PAMf式調速，其調速線性度好、噪音低，控制電路簡單，但線 路損耗較大，主要用于低壓電機；PWMf式調速，效率高，但控制線路較復 雜，噪音較大，主要用于

9、高壓電機。(4) PWMH速的實現(xiàn)：如圖6所示，Vi為固定頻率和固定電壓的三角波， Vsp為直流電壓，距耀信號產生原理圖兩者輸入一比較器，Vi輸入比較器的反相端，Vsp輸入比較器的同相端。當Vsp大于Vi時，比較器輸出信號Vo為高電平，當Vsp小于Vi時，比較 器輸出信號Vo為低電平，Vo為一系列等寬度的脈沖波形，調節(jié)Vsp電壓的 大小，即可調節(jié)Vo的脈沖寬度的大小。直流高壓 Vm是通過開關管施加到 電機繞組上的，用Vo來控制無刷直流電機逆變電路的開關管的導通與關斷， 開關管導通時，Vm施加到電機繞組兩端，開關管關斷時，Vm不能施加到電機繞組兩端，即可在繞組兩端得到脈沖電壓幅值不變，脈沖電壓寬

10、度可調的電壓，調節(jié)Vo的脈寬占空比，即可調節(jié)電機繞組兩端的電壓平均值的大 小，從而調節(jié)電機轉速。PWM控制方式輸出給繞組的電壓波形是一系列等寬度的矩形波，矩形波含有較大成分的諧波。在某些場合，為了減少諧波對電機產生的不良影響，如轉矩脈動、振動噪音和附加損耗的增加等，希望輸給繞組的電壓為正弦 波，因此，控制方式就要采用正弦脈寬調制技術(SPWM在PW腑制方式 的基礎上，把Vsp電壓由輸入直流電壓改為輸入正弦波電壓， Vo即為一組 幅值不變，寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖波。用 Vo來控制逆變電路的開 關管的導通與關斷，輸給電機繞組的電壓的平均值即按正弦規(guī)律變化，從 而改善電機的性能。在有特殊要求的應用場合，可以改變 Vsp電壓的性質 來改變PW臟制方式的特性，使PW臟制方式滿足使用要求。(5)應用：因為采用了變頻技術和位置傳感技術，使無刷直流電機繼承了有刷直 流電機的特性，又無有刷直流電機的缺點，所以無刷直流電機得到了迅速 發(fā)展，