永磁无刷直流电机简介

如果间隔60度，则输出波形相差60度电角度。 间隔120度与60度的二进制编码是不同的。
三相直流无刷电动机的换相原理
• 三相永磁无刷直流电动机转子 1 位置传感器输出信号Ha、Hb、 Hc在每360°电角度内给出了6 4 个代码，按其顺序排列，6个代 码是101、100、110、010、011、 001。当然，这一顺序与电动机 的转动方向有关，如果转向反 了，代码出现的顺序也将倒过 来 图5 • 图5是三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路，也就是 由6只功率开关元件组成的三相 H形桥式逆变电路。
2p E 2EX N n C e n 15
二、电磁转矩
方波电动机的电磁转矩Te 是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用 而产生的。可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩。
Te
EI

式中： —角速度， 60 I —电枢电流
E —两相电动势之和 对于转矩则有：
2n
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1）内置径向式
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永磁体材料的选择
永磁体及其性能多种多样，如何选择合适的永磁材料直接关系到电机的
性能和经济性。永磁体的选择应满足以下要求： 永磁体应能在指定的工作空间内产生所需要的磁场 永磁体所建立的磁场应具有一定的稳定性，磁性能随工作温度和环境 的变化应在允许范围内 具有良好的耐腐性性能 具有较好的力学特性，韧性好、抗压强度高、可加工等 价格合理，经济性好 电气学院
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内置式 • 这类结构的永磁体放置在转子铁心内部，永磁体外表面与 转子铁心外圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放 置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或（和）启动作用，动、稳态 性能好。广泛用于要求有异步启动能力或动态性能高的永 磁同步电动机。 • 内置式转子磁路结构又可分为：径向式、切向式、混合式
• 铁氧体：适合于对电机体积、重量和性能要求不高，而对电机的经济
性要求高的场合。
• 铝镍钴：适合于对电机体积、重量和性能要求不高，但工作温度超过 300度或要求温度稳定性好且电机的成本不高的场合。
• 钕铁硼：适合于对电机体积、重量和性能要求很高，工作环境温度不
高，对永磁体温度稳定性要求不高的场合。 • 稀土钴：适合于对电机体积、重量和性能要求很高，工作环境温度高， 要求温度稳定性好，制造成本不是主要考虑因素的场合。 • 粘结永磁材料：适合批量大、磁极形状复杂、电机性能要求不高的场 合。 电气学院
3
5
6
2
A
B
C
X
Y
Z
三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路
一、电枢绕组的反电势
单根电枢绕组在气隙磁场中的感应电势
e Blv
式中：B ——气隙磁感应强度； l ——导体的有效长度； v ——转子相对于定子导体的线速度。 对于线速度v 有：
n v n 2 p 60 60
式中：n ——电动机转速，单位为r/min； D ——电枢内径； p ——极对数； τ ——极距。
6步通电顺序
A
4
1
a 3
COM
6
c b B 2 5 C
• 三相绕组通电遵循如下规则： 每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个 绕组不导通； • 通电顺序如下：
1.A+B- 2.C+B- 3.C+A-
4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-
A
6步通电顺序
FA+C-
A
FA+B-
Байду номын сангаас
4
1
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表贴凸出式和插入式转子磁路结构图
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1）表贴凸出式转子磁路结构 • 其结构简单，制造成本较低，转动惯量较小，多用于矩形 波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的永磁同步电动 机中 2）表贴插入式转子磁路结构
• 这种结构可充分利用转子结构磁路的不对称性所产生的磁
阻转矩，提高电机的功率密度。制造工艺也较简单。通常 用于某些调速永磁同步电动机中。
单元电机Z0 和p0 组合选择的约束条件: 分数槽电机的Z0 和p0 组合不是可以任意选择的。
1)为了使各相绕组对称, 必须每相均分到相同的槽数, 即必须Z0 /m =整数。对于三 相电机,m = 3, Z0必须为3的倍数。 2)由于Z0 / p0 为不可约分数, 因此: p0 /m ≠整数, 即p0 不允许是m 的倍数。对于三 相电动机,m = 3, p0 不允许选择为3的倍数。 3)如果Z0 为偶数, 因Z0 / p0为不可约分数, p0必为奇数。 4)如果Z0 为奇数, p0 可能是奇数, 也可能是偶数。
转子设计
转子设计
损耗与效率
概述
电机损耗可分为下列5类： （1）定、转子铁心中的基本铁耗，它是由主磁场在铁心中发生变化时产生的。
2p NnI 4p 15 Te NI Ct I 2n （5-3） 60
从式（5-2）和式（5-3）可以看出，三相永磁方波电动机与永磁直流电动机 有完全相同的反电势公式和转矩公式。
直流电机的基本方程式
•1)感应电势E • 2)电磁转矩T
E Cen(V )
式中: Ф一对磁极的磁通(Wb);
从机械特性方程可知,改变磁通时, 电动机的理想空载转速和转速降 落都会随磁通的变化而变化. 磁通只能在额定值以下调节,理想 空载转速和转速降落都要增大------弱磁增速.
电机的绕组
永磁无刷直流电机分数槽集中绕组
分数槽绕组的定义：每极每相槽数q=Z/2mp不为整数的绕组称为分数槽绕组
采用分数槽技术的优点：
通过磁势相量星形图对电机绕组及霍尔位置的分析
以12齿5极对电机举例说明
转子磁路结构不同，则电机的运行性能、控制系统、制造工艺
和适用场合也不同。根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同
步电机的转子磁路结构通常分为两种：表贴式和内置式 表贴式 • 这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的表 面上，永磁体的充磁方向为径向。 • 表贴式转子磁路结构又可分为凸出式和插入式两种
直流电动机的自然机械特性
在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为自 然机械特性.
永磁无刷直流 电动机的机械 特性曲线对比
改变电枢电压的人工机械特性
n0随U的变化而变化 但转速下降速率不变 .因此,变电枢电压的人工机械特 性是一簇与自然机械特性平行的 特性曲线.
改变磁通的人工机械特性
• 如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N极逐渐靠近 霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态； • 当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍 然保持导通状态；只有磁场转变为S极并达到一定值时，其输出 才翻转为截止状态。 • 在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%。 • 如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的 电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。
1)平均每对极下的槽数大为减少, 以较少数目的大槽代替数目较多的小槽, 可减少 槽绝缘占据的空间, 有利于提高槽满率, 进而提高电动机性能; 同时, 较少数目的元 件数, 可简化嵌线工艺和接线, 有助于降低成本。 2)可改善反电势波形的正弦性。 3)分数槽绕组电机有可能得到线圈节距y = 1的设计(集中绕组) 。 每个线圈只绕 在一个齿上,缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度, 减低用铜量; 各个线圈端部没有 重叠, 不必设相间绝缘。所以有文献称这种绕组为非重叠绕组。 4)分数槽集中绕组便于使用专用绕线机, 直接将线圈绕在齿上, 取代传统嵌线工艺, 提高工效。 5)提高电动机性能。槽满率的提高、线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短, 使电 动机绕组电阻减小, 铜损随之也减低, 进而提高电动机效率和降低温升。 6)分数槽的齿槽效应转矩由于每转次数较多,幅值通常比整数槽绕组小, 定子铁心 无须斜槽,有利于降低振动和噪声。
EX
pN p n Nn 15 15
磁通：通过某一截面积的磁力线总数，用 Φ表示，单位为韦（伯）Wb；磁感应强度 是与磁力线方向垂直的单位面积上所通过 的磁力线数目，又叫磁力线密度，也叫磁 通密度，用B表示，单位为特（斯拉）T。
考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电，所以，线电势E为两相 电势之和：
2）如何实现换相？
• 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-
• 必须换相才能实现磁场的旋转，如果根据转子磁极的 位置换相，并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互 垂直的条件，就能取得最大转矩。 • 要想根据转子磁极的位置换相，换相时就必须知道转 子的位置，但并不需要连续的位置信息，只要知道换 相点的位置即可。 • 在无刷直流电机中，一般采用3个开关型霍尔传感器测 量转子的位置。由其输出的3位二进制编码去控制逆变 器中6个功率管的导通实现换相。
无刷直流电动机基本结构
A
Y
N N
Z
N
A Y Z X B C
C
S
X
B
S
内转子，外定子
外转子，内定子
无刷直流电机的基本原理
基本原理的公式体现： f 一、直流电机
BLI
定子铁心（Fe)
f
电枢=定子铁心+导体+换向器
磁极+励磁线圈/永磁体 磁轭（Fe)
电机是：
定子 合二为一： 转子 各伺其职： 转子：产生磁场B
开关型霍尔传感器：
霍尔传感器和定子绕组是固定不转的，转子是永久磁铁，磁铁经过转子霍 尔传感器后，霍尔器件产生一个脉冲。
霍尔工作原理
•当将一块通电的半导体薄片垂直置于磁场中时，薄片两侧由此会产生电位 差，此现象称为霍尔效应。 • 霍尔集成电路具有无触点、无磨损、无火花、低功耗、寿命长、灵敏度高 、工作频率高的特点。 • 霍尔集成电路是霍尔元件与电子线路一体化的产品，它是由霍尔元件、放 大器、温度补偿电路和稳压电路利用集成电路工艺技术制成的。它能感知 一切与磁有关的物理量，又能输出相关的电控信息，所以霍尔集成电路既 是一种集成电路，又是一种磁敏传感器。