第3章 无刷永磁伺服电动机
无刷直流伺服电机结构原理
无刷直流伺服电机结构原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊无刷直流伺服电机的结构原理。
这玩意儿啊，就像是一个超级小能手，在好多地方都大显身手呢！你看啊，无刷直流伺服电机就像是一辆精密的赛车。
它有定子，这就好比是赛车的赛道，为电机的运行提供了一个稳定的基础。
而定子上的绕组呢，就像是赛道上的一道道标记，指引着电机该怎么跑。
还有转子呢，那可是电机的核心部分呀！转子就像是赛车的轮子，快速地转动着，带着整个电机向前冲。
它上面的永磁体，就如同给轮子加上了超强的动力，让电机能爆发出巨大的能量。
那电机里面的换向器呢？嘿嘿，它就像是赛车比赛中的弯道啦！让电流能够顺利地改变方向，保证电机持续不断地运转，不会出现卡顿的情况。
想象一下，要是没有这些精妙的结构，那无刷直流伺服电机还怎么能在各种设备里发挥重要作用呢？比如说在机器人里，它能让机器人灵活地活动关节，做出各种高难度动作，就像个灵活的舞者。
在自动化生产线上，它能精准地控制设备的运行，保证产品的质量和效率，这可真是立下了汗马功劳啊！无刷直流伺服电机的优点那可真是不少呢！它运行起来安静又平稳，就像一只温顺的小猫，不会发出恼人的噪音。
而且它效率高呀，不会浪费太多的能量，多节能环保呀！这就好比是一个会过日子的人，不浪费一分一毫。
咱再说说它的控制吧，那可真是相当精细呀！就像是一个优秀的指挥家，精准地指挥着每一个音符的奏响。
通过各种控制系统，能让电机乖乖地按照我们的要求来工作，要快就快，要慢就慢，简直太听话啦！朋友们，你们说无刷直流伺服电机是不是很神奇呀？它虽然小小的，但是蕴含的能量却是巨大的。
它在我们的生活中默默奉献着，为我们带来了那么多的便利和进步。
我们真应该好好感谢这个小家伙呀！所以呀，我们要好好了解它、爱护它，让它能更好地为我们服务，为我们创造更美好的未来！怎么样，现在是不是对无刷直流伺服电机的结构原理有了更清楚的认识啦？。
永磁无刷电机工作原理
永磁无刷电机工作原理
永磁无刷电机是一种基于永磁体和电磁感应原理工作的电机。
它与传统的有刷直流电机相比，不需要用刷子和换向器来实现换向，从而简化了结构，提高了效率。
下面将介绍永磁无刷电机的工作原理。
1. 永磁体：永磁无刷电机中的永磁体通常采用稀土磁体，例如钕铁硼磁体。
这些永磁体具有较高的磁能积和剩余磁感应强度，能够提供强大的磁场。
2. 电磁线圈：永磁无刷电机中的转子周围有若干个电磁线圈，被称为定子线圈。
当电流通过定子线圈时，会产生磁场。
3. 动态转子：动态转子由绕组和永磁体组成。
当定子线圈通电时，产生的磁场会与永磁体的磁场相互作用，从而使转子受到力矩的作用旋转。
4. 磁极位置探测：永磁无刷电机中需要检测转子的位置，并根据转子位置来控制电流的流向。
通常使用霍尔传感器或编码器来检测转子的位置。
5. 电子换向器：根据转子的位置信号，电子换向器可以实时地控制定子线圈的通断，使电流按照正确的方向流动。
这样，定子线圈的磁场就能够随着转子位置的变化而转动，从而推动转子旋转。
综上所述，永磁无刷电机的工作原理是利用定子线圈产生的磁
场与永磁体的磁场相互作用，从而产生力矩驱动转子旋转。
通过电子换向器控制定子线圈的通断，实现正常的电流流动方向。
这种无刷电机具有结构简单、效率高、维护方便等优点，在许多应用中得到广泛应用。
(完整)永磁无刷直流电动机的基本工作原理
永磁无刷直流电动机的基本工作原理无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。
电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。
驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。
无刷直流电动机的原理简图如图一所示：永磁无刷直流电动机的基本工作原理主电路是一个典型的电压型交-直-交电路,逆变器提供等幅等频5—26KHZ调制波的对称交变矩形波。
永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波,结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号:101、100、110、010、011、001,通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3—T6导通、T3-T2导通、T5—T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C—、B+C-、B+A-、C+A-、C+B—上,这样转子每转过一对N—S极,T1—T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。
每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度,转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码,新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度,如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。
正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。
2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处,电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组.由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流—转矩特性。
永磁无刷电动机工作原理
永磁无刷电动机工作原理
永磁无刷电动机是一种将电能转换成机械能的装置，其工作原理是利用磁场与电流之间的相互作用产生转矩，驱动电动机的转子转动。
永磁无刷电动机主要由固定子（定子）和转子两部分组成。
定子通常由一组绕线圈构成，制造者会利用电流在线圈中产生磁场。
转子通常由永磁体构成，永磁体可以是磁铁或其它能产生永久磁场的材料。
电动机工作时，通电通过定子的线圈产生的磁场会在定子和转子之间形成一个旋转磁场。
此时，转子上的永磁体会受到定子磁场的作用而产生自旋力矩，并随着旋转磁场的变化而发生旋转。
因此，根据涡流感应定律，定子磁场的旋转会在转子上产生涡流，而涡流的磁场与定子磁场相互作用，从而产生转矩。
这个转矩将通过转子传递到旋转轴上，推动电动机输出机械功。
值得注意的是，永磁无刷电动机不需要通过刷子与转子短接来实现转子磁场的交替，因此称为无刷电动机。
与传统的直流电机相比，无刷电动机具有体积小、维护简单、效率高、寿命长等优点。
因此，无刷电动机在许多领域，如家用电器、工业设备和交通运输工具等方面具有广泛应用。
永磁无刷电机 原理
永磁无刷电机原理
永磁无刷电机是一种基于永磁体和电磁绕组的电动机。
它与传统的有刷直流电机相比具有许多优点，如高效率、高功率密度和低噪音等。
永磁无刷电机由三部分组成：永磁体、绕组和传感器。
永磁体通常由稀土永磁材料制成，具有强大的磁场。
绕组则是电磁励磁产生转矩的部分，通过电流产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，产生力矩。
传感器则用于检测转子位置和转速，并向控制器反馈信息。
永磁无刷电机的原理是基于对绕组电流的控制来实现电机转动的。
控制器根据传感器提供的信息，对绕组进行电流的控制，使其始终与永磁体的磁场保持一定的相对位置。
这样，当磁场相互作用时，产生的力矩将驱动转子旋转。
与传统的有刷直流电机不同的是，永磁无刷电机不需要通过刷子和换向器来实现电流的换向。
由于没有刷子摩擦和换向电流的损耗，永磁无刷电机的效率更高。
此外，永磁无刷电机还具有快速响应和高控制精度的特点。
通过控制器对绕组电流进行实时调节，可以实现电机的精准控制，并在各种负载条件下保持稳定运行。
总的来说，永磁无刷电机是一种高效、高性能的电机，广泛应用于家电、工业机械、电动车等领域。
它的原理基于永磁体和
电磁绕组的相互作用，通过对绕组电流的控制，实现电机的转动。
永磁无刷直流电机(电机控制)课件
新能源
用于风力发电、太阳能 发电等新能源设备的驱
动和控制。
汽车电子
用于电动汽车、混合动 力汽车等车辆的驱动和
控制。
其他领域
如航空航天、医疗器械 、智能家居等需要高精
度控制的领域。
02
电机控制系统
控制系统概述
控制系统是永磁无刷直流电机的重要组成部分，用于实现电机的启动、调速、制 动等功能。
永磁无刷直流电机通过控制电流 的相位和幅值，实现电机的启动 、调速和制动等功能。
结构与特点
结构
永磁无刷直流电机由定子、转子和控 制器三部分组成。定子包括永磁体和 电枢绕组，转子为金属导体。
特点
具有高效、高可靠性、高控制精度、 长寿命等优点，适用于需要高精度控 制的应用场景。
应用领域
工业自动化
用于各种自动化生产线 、机器人、数控机床等
电磁干扰和噪声
无刷直流电机在运行过程中会产生电磁干 扰和噪声，对周围环境和人体健康造成一 定影响，需要采取措施进行抑制。
未来研究方向
高效能电机及其控制技术
研究新型的电机结构和控制策略，以 提高电机的能效和稳定性。
智能感知与故障诊断
利用传感器和智能算法，实现对电机 系统的实时感知和故障诊断，提高系 统的可靠性和安全性。
模糊控制算法
总结词
模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制算法，通过模糊化输入变量和模糊规则实现控 制输出。
详细描述
模糊控制算法将输入变量的精确值模糊化，转换为模糊集合，然后根据模糊规则进行逻 辑运算，得到输出变量的模糊集合。最后，对输出变量的模糊集合进行去模糊化，得到 精确的控制输出。模糊控制算法能够处理不确定性和非线性问题，适用于永磁无刷直流
无刷直流电动机作为伺服电动机
注意：电励磁凸极同步
电动机中直轴磁路磁阻小
于交轴磁路，因此直轴同
步电抗Xd（电感Ld）大于 交轴同步电抗Xq（电感 Lq），而永磁同步电动机 中正好相反，其交、直轴
绕组电感的关系是LqLd。
a）直轴磁通路径
b）交轴磁通路径
图3-4 内置式无刷永磁伺服电动 机的交、直轴磁路
7
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
8
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
同步电动机变频调速系统的基本类型
根据变频电源频率控制方式的不同，同步电动机变频调 速系统可以分为他控变频和自控变频两大类。
他控变频：用独立的变频装置给同步电动机供电，通过 直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速，是一种 频率开环控制方式。
自控变频：所用的变频电源是非独立的，变频装置输出 电流（电压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置的转 子位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位 自动跟踪转子磁极空间位置的闭环控制方式。由于电动机 输入电流的频率始终和转子的转速保持同步，采用自控变 频方式的同步电动机不会产生振荡和失步现象，故也称为 自同步电动机系统。
图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成
10
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
基本工作原理： 由转子位置检测器产生转子磁极的空间 位置信号，并将其提供给控制器；控制器根据来自外部 （如上位机等）的控制信号和来自位置检测器的转子位置 信号，产生逆变器中各功率开关器件的通断信号；由逆变 器将输入直流电压转换成具有相应频率和相位的交流电流 和电压，供给伺服电动机。
a）永磁体径向充磁
b）永磁体横向充磁
图3-3 内置式转子结构
5
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
无刷永磁电动机工作原理
无刷永磁电动机工作原理
无刷永磁电动机是一种常用的电动机，其工作原理如下：
1. 永磁体：无刷永磁电动机的转子上通常安装有永磁体，它是由高能磁体材料制成，具有较强的磁场。
2. 定子：定子是电动机的固定部分，通常由一组定子线圈组成。
这些线圈被安排在电动机壳体内，呈现环形排列。
在定子线圈中通电时，它们会产生磁场。
3. 传感器：无刷永磁电动机通常配备有传感器，用于检测转子的位置和速度，并向控制器提供信号。
4. 控制器：控制器是电动机的控制中心，它接收传感器的信号，并根据需要控制定子线圈的通电情况。
工作过程如下：
1. 在电动机初次启动时，控制器将电流送至定子线圈，根据传感器提供的转子位置信息，控制器确保定子线圈的磁场与永磁体的磁场相互作用。
2. 这种相互作用会产生转矩，使得转子开始转动。
随着转子的转动，传感器会持续监测转子的位置，并向控制器提供反馈。
3. 控制器根据传感器的反馈信号，实时调整定子线圈的通电情况，以保持转子与磁场之间的最佳相互作用。
4. 此过程不断重复，使电动机保持稳定运转。
由于无需通过刷子传递电流，无刷永磁电动机具有较高的效率和较长的寿命。
总结：无刷永磁电动机通过定子线圈和永磁体之间的相互作用来产生转矩，实现电动机的运转。
控制器根据传感器的反馈信号，调节定子线圈的通电情况，以保持转子与磁场之间的最佳相互作用。
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3.2.4
无刷直流电动机的控制系统
㈠、转子位置传感器与换相控制
1、转子位置信号的检测
⑴、有转子位置检测传感器的检测方法： ⑵、无转子位置检测传感器的检测方法： ⑴、有转子位置检测传感器的几种检测方法： ①、电磁式位置传感器 ②、磁敏式位置检测传感器（霍尔集成电路） ③、光电式位置检测传感器
①、电磁式位置传感器
3、两种电动机的结构特点：
⑴、无刷直流永磁伺服电动机，为了得到具有一定 宽度的梯形波，转子通常采用表面式（或嵌入式） 结构。 ⑵、定子通常采用整距集中式绕组。
N S N S
S
N
N
S
S
N
N
S
S N
S N
3.2
无刷直流电动机的运行原理
1、无刷直流电动机的基本思想
N S
S
N
N
S
S N
直流电动机中换向器和电刷的作用是什么？ 为了消除电刷和机械换向器需要采取什么方 法及措施？ 1、将电枢绕组装在电机的定子上。 2、将永磁体磁极放在转子上。 3、有一个可以自动检测转子旋转位置的传感 器或检测装置（检测方法） 4、有一套能够使定子相绕组电流改变方向的 控制装置（逆变器）。 转子位置检测+逆变器 = 电子换向器
N N S
S S N
转轴
S
N
S
转轴
S N
N
永磁体径向充磁
永磁体横向充磁
内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路
直轴磁通路径
交轴磁通路径
某型号2无刷伺服电动机内部图片
4极无刷伺服电动机内部图片
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
1、无刷永磁同步电动机； 3、逆变器； 2、控制器 4、位置检测装置
无刷直流电动机机械特性曲线
Ud RS nr Te 2 K P K P Kt
结论： 无刷直流电动机无论是 转矩公式，转速公式，还 是机械特性方程式，在形 式上均与直流它励式直流 电动机相同，即与直流电 动机具有相同的电磁关系 和特性
nr
Ud1> Ud2 >Ud3
Ud1 Ud2 Ud3 Te
5、感应电动势和绕组波形 ⑴、气隙磁场的空间分布
假定：
①、气隙磁场仅由转子上
的永久磁体建立，所产生 的气隙磁密在永磁体所覆 盖的120°范围内保持恒 定，在N、S极两永磁体之
间线性变化；
②、直流侧电流恒定
③、绕组电流的换相是瞬时完成的；
气隙磁场的空间分布示意图
B(x)
1200
Bδ 0
x
结论： ①、间线性变化；
If
Te Ct I a1
无刷直流电动机与有刷直 流电动机的电磁转矩相同。 Uf
Ia1
Ea1
n1
M
Ua1
2、机械 特性：
电路特点：在任意时刻同时导通的两相绕组串联 后跨接在直流电压两端，第三相绕组处于开路状 态，电流为零。
当电动机处于稳态运行时，由于电流恒定，因此不 必考虑电枢绕组电感的影响。
第3章 无刷永磁伺服电动机
3.1 概述： 3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构 3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成 3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类 3.2 无刷直流电动机 3.2.1 无刷直流电动机的运行原理 3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性 3.2.4 无刷直流电动机的控制系统
U d 2 RS I d Ud RS nr Id 2KP 2KP KP
已知：电动机的电磁转矩为：
Te
2k p nr I d r
60
k p I d kt I d
Te Id Kt
无刷直流电动机的机械特性方程式为：
Ud RS nr Te 2 K P K P Kt
3、直流无刷电动机的动态数学模型
采用静止ABC坐 标系的分析方法。
u A RS u 0 B uC 0
0 RS 0
0 iA LA LAB d 0 iB LBA LB dt RS iC LCA LCB
Brush Less DC Motor）
⑵、正弦波永磁同步电动机（PMSM—Permanent Magnet Synchronous Motor ） 2、两者最大的区别： ⑴、无刷直流电动机定子绕组中的感应电动势为梯形
波，通入定子绕组电流波形是方波；
⑵、正弦波永磁同步电动机的定子绕组感应电动势为 正弦波，通入定子绕组电流波形是正弦波。
电磁式位置传感器 是利用电磁效应来测 量转子位置的。 类型： 开口变压器方式； 铁磁谐振电路； 接近开关电路等；
3.1、概述： 三相有刷伺服交流电动机结构示意图
A
N
转子
S
C
B
两相有刷伺服交流电动机结构示意图
A1
N
B2
S
B1
转子
A2
有刷直流伺服电动机工作原理示意图
S N
转子
S N
无刷直流伺服电动机工作原理示意图
A1
N
B2
S
B1
转子
A2
无刷永磁伺服电动机的定义：
定义：
+ 电动机转子采用永久磁铁制成，而定子绕组
LAC iA eA LBC iB eB LC iC eC
由于电动机三相绕组是完全对称的。
LA LB LC LS (每相绕组自感)
LAB LBC LCA Lm(绕组相间互感)
u A RS u 0 B uC 0 u A RS u 0 B uC 0 0 RS 0 0 RS 0 0 iA LA LAB d 0 iB LBA LB dt RS iC LCA LCB 0 iA LS d 0 iB Lm dt RS iC Lm Lm LS Lm LAC iA eA LBC iB eB LC iC eC Lm i A eA Lm iB eB LS iC eC
u A RS u 0 B uC 0
0 RS 0
0 iA LS Lm d 0 iB 0 dt RS iC 0
0 LS Lm 0
iA eA 0 i B eB LS Lm iC eC 0
0
t 60 换向前
0
t 60 换向后
0
4、电枢磁势
换向前电枢磁势Fa领先 励磁磁势Ff 60°电角度。
换向后电枢磁势Fa跳跃 前进领先励磁磁势Ff120° 电角度。
结论：无刷直流电动机的电枢磁势不是匀速旋转的圆形旋转磁 场，而是跳跃式前进的步进磁动势，对于二相导通三相六状态 工作方式，转子每转过60°，电枢磁势跳跃前进60°，电枢磁 势领先转子磁势的电角度保持在60°～120°之间。
电动机采用星形桥式连接图
特点： 电动机采用Y形连接方式是一种比较好的连接形式。 电动机线圈绕组中，不会产生环流。
电动机采用三角形桥式连接方法
特点： 当感应电动势不平衡时闭合绕组回路中会产生环流， 因此较少采用。
3、无刷直流电动机的工作原理
t 0 换向前
0
t 0 换向后
0
3.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型
1、建立无刷直流电动机动态数学模型的目的： 对无刷直流电动机进行系统仿真 动态性能分析与研究
2、分析方法与理论： 感应式伺服电动机采用空间矢量的分析理论，即坐 标变换的方法来分析电动机的动态过程。 分析的条件是：交流电动机的磁动势和气隙磁场等 可认为在空间按正弦规律变化。 直流无刷电动机的气隙磁场在空间不是按正弦规律 分布的，因此不能采用坐标变换的分析方法。
~ + -
N
2、嵌入式 嵌入式结构的特点： ⑴、电动机的交、直 轴磁路磁阻不相等。 ⑵、直轴磁路磁阻大 于交轴磁路磁阻。 ⑶、内置式和嵌入式 转子结构的无刷永磁 伺服电动机属于凸极 式同步电动机。
S N
S
N
S
S N
N S
S
N
N
S
S N
3、内置式转子的结构
转子铁心 转子铁心 隔磁衬套
N S S N
5、感应电动势 和绕组波形
感应电动势 波形 绕组电流波形 电磁转矩波形
3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性
1、电磁转矩： 无刷直流电动机的电磁转矩， 可根据电磁功率求出。
Pe Te r
定子绕组电流
Te
2k p nr I d r
60
k p I d kt I d
2、电枢绕组及其与逆变器的连接
最常用的无刷直流电动机为三相电机； 主要有星形连接与三角形连接两种： ①、星形连接时逆变器有：桥式连接和半桥式连接 两种方式； ②、三角形连接时逆变器只能采用桥式连接方式；
电动机采用星形半桥式连接图
特点：控制方法简单，电动机绕组利用率低， 仅用于对生产成本要求较低的小功率场合。
N S
1. 表 面 式
S
S
N
N
S
S
N
N
S
S N
S N
表面式永磁体的特点：
①、表面式结构的电动 机交、直轴磁路磁阻基 本相同。 ②、交、直轴电感量相 等，而且由于有效气隙 较大，绕组电感量较低 ，有利于改善电动机的 动态特性。 ③、电动机的转子直径 可以做得很小，转动惯 量低。S NFra bibliotekN S