永磁無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介課件

1、 內(nèi)轉(zhuǎn)子，外定子 外轉(zhuǎn)子，內(nèi)定子無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)XCYANBZNSAXBYCZSN 內(nèi)轉(zhuǎn)子，外定子 外轉(zhuǎn)子，內(nèi)定子無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理一、直流電機(jī)基本原理的公式體現(xiàn)：磁軛（Fe)定子鐵心（Fe)磁極+勵(lì)磁線圈/永磁體電樞=定子鐵心+導(dǎo)體+換向器無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理一、直流電機(jī)基本原理的公式體現(xiàn)：磁軛（電機(jī)是：合二為一，各伺其職！合二為一：定子轉(zhuǎn)子各伺其職：定子：產(chǎn)生電流I轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生磁場(chǎng)Bf=BIL電機(jī)是：合二為一，各伺其職！合二為一：定子轉(zhuǎn)子各伺其職：定子 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生 假定電機(jī)定子為3相6極，星型連接。轉(zhuǎn)子為一對(duì)極。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生電流方向不同時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向不同。若繞組的繞線

2、方向一致，當(dāng)電流從A相繞組流進(jìn)，從B相繞組流出時(shí)，電流在兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向是不同的。電流方向不同時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(gè)繞組中一個(gè)繞組流入電流，一個(gè)繞組流出電流，一個(gè)繞組不導(dǎo)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(chǎng)旋轉(zhuǎn)60度，每6步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周；每步僅一個(gè)繞組被換相。6步通電順序1.A+B- 2.C+B- 3.C+A隨著磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)

3、，吸引轉(zhuǎn)子磁極隨之旋轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)：123456磁場(chǎng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)：6543211.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-隨著磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，吸引轉(zhuǎn)子磁極隨之旋轉(zhuǎn)。2）如何實(shí)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(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，如果根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置換相，并在換相時(shí)滿足定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互垂直的條件，就能取得最大轉(zhuǎn)矩。要想根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置換相，換相時(shí)就必須知道轉(zhuǎn)子的位置，但并不需要連續(xù)的位置信息，只要知道換相點(diǎn)的位置即可。在無(wú)刷直流電機(jī)中，一般采用3個(gè)開(kāi)關(guān)

4、型霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置。由其輸出的3位二進(jìn)制編碼去控制逆變器中6個(gè)功率管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相。2）如何實(shí)現(xiàn)換相？1.A+B- 2.C+B- 3.開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器：霍爾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(guò)轉(zhuǎn)子霍爾傳感器后，霍爾器件產(chǎn)生一個(gè)脈沖。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器：當(dāng)將一塊通電的半導(dǎo)體薄片垂直置于磁場(chǎng)中時(shí)，薄片兩側(cè)由此會(huì)產(chǎn)生電位差，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 霍爾集成電路具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、無(wú)火花、低功耗、壽命長(zhǎng)、靈敏度高、工作頻率高的特點(diǎn)。 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(bǔ)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

5、，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?；魻柟ぷ髟懋?dāng)將一塊通電的半導(dǎo)體薄片垂直置于磁場(chǎng)中時(shí)，薄片兩側(cè)由此會(huì)產(chǎn)生如果將一只霍爾傳感器安裝在靠近轉(zhuǎn)子的位置，當(dāng)N極逐漸靠近霍爾傳感器即磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，其輸出是導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)N極逐漸離開(kāi)霍爾傳感器、磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小時(shí)，其輸出仍然保持導(dǎo)通狀態(tài)；只有磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)镾極并達(dá)到一定值時(shí)，其輸出才翻轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。在S-N交替變化磁場(chǎng)下，傳感器輸出波形占高、低電平各占50%。如果轉(zhuǎn)子是一對(duì)極，則電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周霍爾傳感器輸出一個(gè)周期的電壓波形，如果轉(zhuǎn)子是兩對(duì)極，則輸出兩個(gè)周期的電壓波形。如果將一只霍爾傳感器安裝在靠近轉(zhuǎn)子的

6、位置，當(dāng)N極逐漸靠近霍爾直流無(wú)刷電機(jī)中一般安裝3個(gè)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(gè)霍爾傳感器的輸出波形相差120度電角度；輸出信號(hào)為高、低電平各占180度電角度。如果規(guī)定輸出信號(hào)高電平為“1”，低電平為“0”，則輸出的三個(gè)信號(hào)可用3位二進(jìn)制編碼表示。直流無(wú)刷電機(jī)中一般安裝3個(gè)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(jìn)制編碼是不同的。100 000 001 011 111 110 三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子

7、位置傳感器輸出信號(hào)Ha、Hb、Hc在每360電角度內(nèi)給出了6個(gè)代碼，按其順序排列，6個(gè)代碼是101、100、110、010、011、001。當(dāng)然，這一順序與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反了，代碼出現(xiàn)的順序也將倒過(guò)來(lái)圖5是三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換向器主回路，也就是由6只功率開(kāi)關(guān)元件組成的三相H形橋式逆變電路。三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換相原理451A B CX Y Z 圖5 三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 的電子換向器主回路326三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)Ha、Hb、Hc一、電樞繞組的反電勢(shì) 單根電樞繞組在氣隙磁場(chǎng)中的感應(yīng)電勢(shì) 式中：B 氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度； l 導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度； v 轉(zhuǎn)

8、子相對(duì)于定子導(dǎo)體的線速度。對(duì)于線速度v 有： 式中：n 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min； D 電樞內(nèi)徑； p 極對(duì)數(shù)； 極距。一、電樞繞組的反電勢(shì)對(duì)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(shì)為：方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的每極磁通為： 其中，是計(jì)算極弧系數(shù)。因而有： 考慮到三相永磁方波電動(dòng)機(jī)是兩相同時(shí)通電，所以，線電勢(shì)E為兩相電勢(shì)之和： 計(jì)算極弧系數(shù)的定義為：一個(gè)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(guò)某一截面積的磁力線總數(shù)，用表示，單位為韋（伯）Wb；磁感應(yīng)強(qiáng)度是與磁力線方向垂直的單位面積上所通過(guò)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(shì)為： 方波電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te 是由兩相繞組的合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的。可以利用功率與速度的關(guān)系來(lái)計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩。 式中： 角速度， I 電樞電流 E 兩相電動(dòng)勢(shì)之和 二、電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)于轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)與永磁直流電動(dòng)機(jī)有完全相同的反電勢(shì)公式和轉(zhuǎn)矩公式。 方波電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te 是由兩相繞組的合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)直流電機(jī)的基本方程式2)電磁轉(zhuǎn)矩T一對(duì)磁極的磁通(Wb);n電樞轉(zhuǎn)速(r/min);Ce 電勢(shì)常數(shù).式中:1)感應(yīng)電勢(shì)E式中:T電磁轉(zhuǎn)矩(Nm);Ia電樞電流(

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

11、可知,改變磁通時(shí),電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都會(huì)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都要增大-弱磁增速.改變磁通的人工機(jī)械特性從機(jī)械特性方程可知,改變磁通時(shí),電動(dòng)機(jī)電機(jī)的繞組永磁無(wú)刷直流電機(jī)分?jǐn)?shù)槽集中繞組采用分?jǐn)?shù)槽技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：1)平均每對(duì)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(jìn)而提高電動(dòng)機(jī)性能; 同時(shí), 較少數(shù)目的元件數(shù), 可簡(jiǎn)化嵌線工藝和接線, 有助于降低成本。2)可改善反電勢(shì)波形的正弦性。3)分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)有可能得到線圈節(jié)距y = 1的設(shè)計(jì)(集中繞組) 。每個(gè)線圈只繞在一個(gè)齒上,縮短了線

12、圈周長(zhǎng)和繞組端部伸出長(zhǎng)度, 減低用銅量; 各個(gè)線圈端部沒(méi)有重疊, 不必設(shè)相間絕緣。所以有文獻(xiàn)稱這種繞組為非重疊繞組。4)分?jǐn)?shù)槽集中繞組便于使用專(zhuān)用繞線機(jī), 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(dòng)機(jī)性能。槽滿率的提高、線圈周長(zhǎng)和繞組端部伸出長(zhǎng)度的縮短, 使電動(dòng)機(jī)繞組電阻減小, 銅損隨之也減低, 進(jìn)而提高電動(dòng)機(jī)效率和降低溫升。6)分?jǐn)?shù)槽的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩由于每轉(zhuǎn)次數(shù)較多,幅值通常比整數(shù)槽繞組小, 定子鐵心無(wú)須斜槽,有利于降低振動(dòng)和噪聲。分?jǐn)?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?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)的繞組永磁無(wú)刷直流電機(jī)分?jǐn)?shù)槽集中繞組采用分?jǐn)?shù)槽技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)單元電機(jī)Z

13、0 和p0 組合選擇的約束條件:分?jǐn)?shù)槽電機(jī)的Z0 和p0 組合不是可以任意選擇的。1)為了使各相繞組對(duì)稱, 必須每相均分到相同的槽數(shù), 即必須Z0 /m =整數(shù)。對(duì)于三相電機(jī),m = 3, Z0必須為3的倍數(shù)。2)由于Z0 / p0 為不可約分?jǐn)?shù), 因此: p0 /m 整數(shù), 即p0 不允許是m 的倍數(shù)。對(duì)于三相電動(dòng)機(jī),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?jǐn)?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(jī)Z0 和p0 組合選擇的約束條件:1)為了使各相繞組通過(guò)磁勢(shì)相量星形圖對(duì)電機(jī)繞組及霍爾位置的分析以1

14、2齒5極對(duì)電機(jī)舉例說(shuō)明通過(guò)磁勢(shì)相量星形圖對(duì)電機(jī)繞組及霍爾位置的分析以12齒5極對(duì)電永磁無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介課件這種結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的表面上，永磁體的充磁方向?yàn)閺较?。表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又可分為凸出式和插入式兩種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電機(jī)的運(yùn)行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場(chǎng)合也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)通常分為兩種：表貼式和內(nèi)置式表貼式電氣學(xué)院這種結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的表面上，永磁表貼凸出式和插入式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)圖電氣學(xué)院表貼凸出式和插入式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)圖電氣學(xué)院其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，多用于矩形波永磁同步

15、電動(dòng)機(jī)和恒功率運(yùn)行范圍不寬的永磁同步電動(dòng)機(jī)中1）表貼凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)2）表貼插入式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁路的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的功率密度。制造工藝也較簡(jiǎn)單。通常用于某些調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)中。電氣學(xué)院其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，多用于矩形波永磁同步這類(lèi)結(jié)構(gòu)的永磁體放置在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，永磁體外表面與轉(zhuǎn)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(dòng)作用，動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能好。廣泛用于要求有異步啟動(dòng)能力或動(dòng)態(tài)性能高的永磁同步電動(dòng)機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又可分為：徑向式、切向式、混合式內(nèi)置式電氣學(xué)院這類(lèi)結(jié)構(gòu)的永磁體放置在轉(zhuǎn)子鐵

16、心內(nèi)部，永磁體外表面與轉(zhuǎn)子鐵心外1）內(nèi)置徑向式電氣學(xué)院1）內(nèi)置徑向式電氣學(xué)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(guān)系到電機(jī)的性能和經(jīng)濟(jì)性。永磁體的選擇應(yīng)滿足以下要求：永磁體應(yīng)能在指定的工作空間內(nèi)產(chǎn)生所需要的磁場(chǎng)永磁體所建立的磁場(chǎng)應(yīng)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(yīng)在允許范圍內(nèi)具有良好的耐腐性性能具有較好的力學(xué)特性，韌性好、抗壓強(qiáng)度高、可加工等價(jià)格合理，經(jīng)濟(jì)性好電氣學(xué)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(duì)電機(jī)體積、重量和性能要求不高，而對(duì)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性要求高的場(chǎng)合。鋁鎳鈷：適合于對(duì)電機(jī)體積、重量和性能要求不高，但工

17、作溫度超過(guò)300度或要求溫度穩(wěn)定性好且電機(jī)的成本不高的場(chǎng)合。釹鐵硼：適合于對(duì)電機(jī)體積、重量和性能要求很高，工作環(huán)境溫度不高，對(duì)永磁體溫度穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。稀土鈷：適合于對(duì)電機(jī)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(chǎng)合。粘結(jié)永磁材料：適合批量大、磁極形狀復(fù)雜、電機(jī)性能要求不高的場(chǎng)合。電氣學(xué)院鐵氧體：適合于對(duì)電機(jī)體積、重量和性能要求不高，而對(duì)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介課件轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)損耗與效率概述電機(jī)損耗可分為下列5類(lèi)：（1）定、轉(zhuǎn)子鐵心中的基本鐵耗，它是由主磁場(chǎng)在鐵心中發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的。（2）空載時(shí)鐵心中的附加（或雜散）損耗，它是由定轉(zhuǎn)子開(kāi)槽引起的氣隙磁導(dǎo)變化而產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)在對(duì)方表面產(chǎn)生的表面損耗及脈振損