無刷直流電機(jī)課件

無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)1一、無刷直流電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀

無刷直流電機(jī)是從有刷直流電機(jī)上發(fā)展起來的，確切的說是由發(fā)電機(jī)發(fā)展而來的。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，從這開始才有了電機(jī)的發(fā)展。1840年左右，世界上第一臺直流電機(jī)問世。傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)制造成本高，維修困難，以上這些都是有刷直流電機(jī)的隱患。正因如此，早在18世紀(jì)20年代，Boiiger就提出了一個(gè)新的思想，并找到整流管代替機(jī)械電刷，無刷直流電機(jī)的基本雛形問世.

一、無刷直流電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀

無刷直流電2

1930年左右，一些科學(xué)家開始從電子換相中尋求突破，為無刷直流電機(jī)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。但由于大功率電子器件的限制，沒能找到理想的電子換相器件，使得這種可靠性差、效率低下的電機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段.1950年左右，美國籍科學(xué)家德文?哈里斯與他的同事共同研制出用電子換向電路代替有刷直流電機(jī)中的換向器和電刷來完成換向工作。無刷直流電機(jī)從此誕生，也是現(xiàn)代無刷直流電機(jī)的雛形。20世紀(jì)80年代左右，先后成功研制出方波和正弦波作為驅(qū)動信號的無刷直流電機(jī)。在此之后，無刷直流電機(jī)逐漸代替其他電機(jī)開始成為電機(jī)中絕對主導(dǎo).1930年左右，一些科學(xué)家開始從電子換3近年來，隨著電力電子技術(shù)和集成電路以及控制技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)涉及到，汽車、航空航天、家用電器等很多領(lǐng)域。國內(nèi)無刷直流電機(jī)的發(fā)展始于70年代初期，由于主要應(yīng)用在軍工方面和航空方面，要求的數(shù)量不是很多而是更注重精度，主要集中在一些和軍工單位有合作項(xiàng)目的科研機(jī)構(gòu)和高等院校中，所以發(fā)展并不廣泛。經(jīng)過幾十年的發(fā)展雖然國內(nèi)也有一系列的產(chǎn)品，但由于我國電子元件檔次不高，科研水平和制造水平也與國外相比有差距.不過，近年來國內(nèi)中小型電機(jī)和微特電機(jī)行業(yè)的發(fā)展也是有目共睹。中小電機(jī)的發(fā)展主要得益于電動自行車行業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)的電動自行車行業(yè)比國外發(fā)展的更好，主要是因?yàn)閲鴥?nèi)的消費(fèi)人群比國外更多并且價(jià)格也能為大多數(shù)人所接受。當(dāng)然還有一個(gè)原因是國家政策的支持。

無刷直流電機(jī)課件4二有刷直流電機(jī)與無刷直流電機(jī)的比較

有刷直流電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子上安裝有固定的永磁體，轉(zhuǎn)子上安裝有換向器和電樞繞組。永磁體可以形成固定的磁場與轉(zhuǎn)子上的電樞繞組和換向器配合工作，便可以使電機(jī)驅(qū)動起來。圖2為有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。在兩個(gè)電刷AB之間兩端接入直流電（這也就是稱之直流電機(jī)的根本原因），直流電流流過電刷、換向器流入線圈繞組，產(chǎn)生電流，通過線圈的電流產(chǎn)生的磁效應(yīng)與固定磁場的作用下，帶動電樞繞組轉(zhuǎn)動同時(shí)引起換向器的轉(zhuǎn)動從而繼續(xù)改變轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁場方向，與主磁場的相互作用下，電機(jī)的轉(zhuǎn)子就會周而復(fù)始的轉(zhuǎn)動。二有刷直流電機(jī)與無刷直流電機(jī)的比較有刷直流電機(jī)主要5

圖2有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

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由于電刷和換向器的存在，所以有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中就會存在一些問題：(1)定子和轉(zhuǎn)子之間的密封性不夠好，空氣中粉塵顆粒等很容易進(jìn)入氣隙，在電機(jī)工作時(shí)存在隱患。(2)換相時(shí)，電刷和換向器之間極易產(chǎn)生電火花并伴隨有電磁干擾，而且有比較大的噪聲，所以在很多場所使用時(shí)會受到限制。(3)電機(jī)長時(shí)間工作，電刷和換向器磨損會比較嚴(yán)重，對電刷或者換向器進(jìn)行維修或者更換時(shí)消耗大量的人力物力。由于電刷和換向器的存在，所以有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)在應(yīng)用7

無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別是非常明顯的，它的線圈繞組是固定的而磁場是變化的，這一結(jié)構(gòu)與有刷直流電機(jī)恰好相反。變化的磁場是由轉(zhuǎn)子上的永磁體提供的，而線圈繞組作為定子固定不動。這種結(jié)構(gòu)使得無刷直流電機(jī)無需換向器和電刷，從而解決了所有因?yàn)閾Q向器和電刷存在帶來的各種問題，使得無刷直流電機(jī)的發(fā)展速度更快，普及范圍更廣。無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)的區(qū)別不僅僅在于定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同。關(guān)鍵在于無刷直流電機(jī)沒有刷直流電機(jī)中完成換向的電刷和換向器，所以要找到一種器件代替電刷和換向器完成換向操作。代替換向器和電刷完成換向功能的器件的就是位置傳感器。

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圖2-2無刷直流結(jié)構(gòu)圖

圖2-2為無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，它主要由定子（電樞繞組）、轉(zhuǎn)子（永磁體）、和位置傳感器構(gòu)成。圖2-2無刷直流9與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)還具有以下五種優(yōu)點(diǎn)：(1)無刷直流電機(jī)響應(yīng)比較快、啟動轉(zhuǎn)矩比較大；(2)無刷直流電機(jī)的過載能力比較強(qiáng)，體現(xiàn)在爬坡能力上（爬坡的角度和速度均比較大）；(3)無刷電機(jī)屬靜態(tài)電機(jī)，空載電流小；(4)無刷直流電機(jī)中的電子換向裝置代替了電刷和換向器，不易磨損、故障率低，壽命比有刷電機(jī)有明顯的提高；(5)借助于各種先進(jìn)的控制算法與大功率開關(guān)器件的發(fā)展，無刷直流電機(jī)在高頻及智能化領(lǐng)域的發(fā)展更具有前景；與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)還具有以下五種優(yōu)點(diǎn)：10三永磁無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)

由于國家政策的支持及廉價(jià)快捷的特性，電動車行業(yè)取得了蓬勃發(fā)展，目前我國電動車的驅(qū)動電機(jī)大多為永磁無刷直流電機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖三所示;

圖三無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)圖三永磁無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)由于國家政策的支持及廉11

無刷直流電機(jī)本體部分由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。首先,它們必須滿足電磁方面的要求,為保證在工作氣隙中產(chǎn)生足夠的磁通,電樞繞組允許通過一定的電流,以產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。1）定子定子是電機(jī)本體的靜止部分。由導(dǎo)磁的定子鐵心、導(dǎo)電的電樞繞組及固定鐵心和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成。如機(jī)殼、絕緣片、槽楔、引出線及環(huán)氧樹脂等。2)定子鐵心定子鐵心一般是由沖成帶有齒槽的環(huán)形硅鋼片疊成的,硅鋼片可以減少主定子的鐵耗,電樞繞組嵌放在齒槽中,槽數(shù)視繞組的相數(shù)和極對數(shù)而定。為了減少鐵心的渦流損耗,沖片表面涂絕緣漆或磷化處理。為了減少噪聲和寄生轉(zhuǎn)矩,定子鐵心采用斜槽,一般斜一個(gè)槽矩。無刷直流電機(jī)本體部分由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。首先,它們123)定子繞組定子繞組是電機(jī)本體的一個(gè)最重要的部件,它在電機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程中起著及其重要的作用。當(dāng)電機(jī)接上電源后,電流流入繞組,其產(chǎn)生的磁動勢與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場相互作用形成電磁轉(zhuǎn)矩。繞組除了要能通過一定的電流外還需結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠。4)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是電機(jī)本體中轉(zhuǎn)動的部分,由導(dǎo)磁體、永磁體和支撐零部件組成。無刷直流電機(jī)一般采用硅鋼乃口坡莫合金或電工純鐵作導(dǎo)磁材料.常采用的永磁材料有欽鐵硼\鐵氧體、高磁能積的稀土鉆永磁材料等。機(jī)械支撐零部件起著固定永磁體和導(dǎo)磁體的作用,主要包括轉(zhuǎn)軸、軸套和壓圈等。無刷直流電機(jī)課件13四無刷直流電機(jī)工作的結(jié)構(gòu)組成

圖4無刷直流電機(jī)工作的組成框圖

如圖4所示為無刷直流電機(jī)工作的框圖，可以看出主要結(jié)構(gòu)由直流電源、開關(guān)電路、位置傳感器和電動機(jī)組成。四無刷直流電機(jī)工作的結(jié)構(gòu)組成圖4無刷直流電機(jī)工作141）直流電源

直流電源為開關(guān)電路提供工作電壓.2）開關(guān)電路

一般情況下開關(guān)電路與位置傳感器配合使用。它所起的作用是根據(jù)位置傳感器的輸出信號輸出功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號,使電樞繞組按規(guī)定的導(dǎo)通順序通電,從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁動勢。從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。開關(guān)電路需運(yùn)行可靠,體積小,質(zhì)量輕,能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn),并能滿足不同環(huán)境條件下的長時(shí)間運(yùn)行等等。

3）位置傳感器位置傳感器則是無刷直流電機(jī)中最重要的一個(gè)部件，它根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置檢測出位置信號，然后送入到開關(guān)電路中，開關(guān)電路根據(jù)不同時(shí)刻的位置信號導(dǎo)通不同的MOEFET同時(shí)導(dǎo)通三相繞組中的兩相，是電機(jī)完成換相即可一直轉(zhuǎn)動下去。

1）直流電源15位置傳感器的種類繁多,有光電式、電磁式和磁敏式等。磁敏式以其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活方便、易于機(jī)電一體化的優(yōu)點(diǎn)而被越來越廣泛地采用?？傊恢脗鞲衅骱烷_關(guān)電路代替了有刷直流電機(jī)中的電刷和換向器，這也是無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)最根本的區(qū)別所在。無刷直流電機(jī)課件16五總結(jié)

本文首先闡述了無刷直流電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀，了解其發(fā)展歷程。其次對有刷直流電機(jī)與無刷直流電機(jī)的比較，凸顯了無刷直流電機(jī)逐漸代替有刷直流電機(jī)的趨勢。最后對永磁無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和無刷直流電機(jī)工作的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行詳細(xì)介紹，從結(jié)構(gòu)的角度上了解了無刷直流電機(jī)的各個(gè)部分的作用及特性。五總結(jié)本文首先闡述了無刷直流電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀17無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)18一、無刷直流電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀

無刷直流電機(jī)是從有刷直流電機(jī)上發(fā)展起來的，確切的說是由發(fā)電機(jī)發(fā)展而來的。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，從這開始才有了電機(jī)的發(fā)展。1840年左右，世界上第一臺直流電機(jī)問世。傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)制造成本高，維修困難，以上這些都是有刷直流電機(jī)的隱患。正因如此，早在18世紀(jì)20年代，Boiiger就提出了一個(gè)新的思想，并找到整流管代替機(jī)械電刷，無刷直流電機(jī)的基本雛形問世.

一、無刷直流電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀

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1930年左右，一些科學(xué)家開始從電子換相中尋求突破，為無刷直流電機(jī)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。但由于大功率電子器件的限制，沒能找到理想的電子換相器件，使得這種可靠性差、效率低下的電機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段.1950年左右，美國籍科學(xué)家德文?哈里斯與他的同事共同研制出用電子換向電路代替有刷直流電機(jī)中的換向器和電刷來完成換向工作。無刷直流電機(jī)從此誕生，也是現(xiàn)代無刷直流電機(jī)的雛形。20世紀(jì)80年代左右，先后成功研制出方波和正弦波作為驅(qū)動信號的無刷直流電機(jī)。在此之后，無刷直流電機(jī)逐漸代替其他電機(jī)開始成為電機(jī)中絕對主導(dǎo).1930年左右，一些科學(xué)家開始從電子換20近年來，隨著電力電子技術(shù)和集成電路以及控制技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)涉及到，汽車、航空航天、家用電器等很多領(lǐng)域。國內(nèi)無刷直流電機(jī)的發(fā)展始于70年代初期，由于主要應(yīng)用在軍工方面和航空方面，要求的數(shù)量不是很多而是更注重精度，主要集中在一些和軍工單位有合作項(xiàng)目的科研機(jī)構(gòu)和高等院校中，所以發(fā)展并不廣泛。經(jīng)過幾十年的發(fā)展雖然國內(nèi)也有一系列的產(chǎn)品，但由于我國電子元件檔次不高，科研水平和制造水平也與國外相比有差距.不過，近年來國內(nèi)中小型電機(jī)和微特電機(jī)行業(yè)的發(fā)展也是有目共睹。中小電機(jī)的發(fā)展主要得益于電動自行車行業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)的電動自行車行業(yè)比國外發(fā)展的更好，主要是因?yàn)閲鴥?nèi)的消費(fèi)人群比國外更多并且價(jià)格也能為大多數(shù)人所接受。當(dāng)然還有一個(gè)原因是國家政策的支持。

無刷直流電機(jī)課件21二有刷直流電機(jī)與無刷直流電機(jī)的比較

有刷直流電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子上安裝有固定的永磁體，轉(zhuǎn)子上安裝有換向器和電樞繞組。永磁體可以形成固定的磁場與轉(zhuǎn)子上的電樞繞組和換向器配合工作，便可以使電機(jī)驅(qū)動起來。圖2為有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。在兩個(gè)電刷AB之間兩端接入直流電（這也就是稱之直流電機(jī)的根本原因），直流電流流過電刷、換向器流入線圈繞組，產(chǎn)生電流，通過線圈的電流產(chǎn)生的磁效應(yīng)與固定磁場的作用下，帶動電樞繞組轉(zhuǎn)動同時(shí)引起換向器的轉(zhuǎn)動從而繼續(xù)改變轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁場方向，與主磁場的相互作用下，電機(jī)的轉(zhuǎn)子就會周而復(fù)始的轉(zhuǎn)動。二有刷直流電機(jī)與無刷直流電機(jī)的比較有刷直流電機(jī)主要22

圖2有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

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由于電刷和換向器的存在，所以有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中就會存在一些問題：(1)定子和轉(zhuǎn)子之間的密封性不夠好，空氣中粉塵顆粒等很容易進(jìn)入氣隙，在電機(jī)工作時(shí)存在隱患。(2)換相時(shí)，電刷和換向器之間極易產(chǎn)生電火花并伴隨有電磁干擾，而且有比較大的噪聲，所以在很多場所使用時(shí)會受到限制。(3)電機(jī)長時(shí)間工作，電刷和換向器磨損會比較嚴(yán)重，對電刷或者換向器進(jìn)行維修或者更換時(shí)消耗大量的人力物力。由于電刷和換向器的存在，所以有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)在應(yīng)用24

無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別是非常明顯的，它的線圈繞組是固定的而磁場是變化的，這一結(jié)構(gòu)與有刷直流電機(jī)恰好相反。變化的磁場是由轉(zhuǎn)子上的永磁體提供的，而線圈繞組作為定子固定不動。這種結(jié)構(gòu)使得無刷直流電機(jī)無需換向器和電刷，從而解決了所有因?yàn)閾Q向器和電刷存在帶來的各種問題，使得無刷直流電機(jī)的發(fā)展速度更快，普及范圍更廣。無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)的區(qū)別不僅僅在于定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同。關(guān)鍵在于無刷直流電機(jī)沒有刷直流電機(jī)中完成換向的電刷和換向器，所以要找到一種器件代替電刷和換向器完成換向操作。代替換向器和電刷完成換向功能的器件的就是位置傳感器。

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圖2-2無刷直流結(jié)構(gòu)圖

圖2-2為無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，它主要由定子（電樞繞組）、轉(zhuǎn)子（永磁體）、和位置傳感器構(gòu)成。圖2-2無刷直流26與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)還具有以下五種優(yōu)點(diǎn)：(1)無刷直流電機(jī)響應(yīng)比較快、啟動轉(zhuǎn)矩比較大；(2)無刷直流電機(jī)的過載能力比較強(qiáng)，體現(xiàn)在爬坡能力上（爬坡的角度和速度均比較大）；(3)無刷電機(jī)屬靜態(tài)電機(jī)，空載電流?。?4)無刷直流電機(jī)中的電子換向裝置代替了電刷和換向器，不易磨損、故障率低，壽命比有刷電機(jī)有明顯的提高；(5)借助于各種先進(jìn)的控制算法與大功率開關(guān)器件的發(fā)展，無刷直流電機(jī)在高頻及智能化領(lǐng)域的發(fā)展更具有前景；與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)還具有以下五種優(yōu)點(diǎn)：27三永磁無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)

由于國家政策的支持及廉價(jià)快捷的特性，電動車行業(yè)取得了蓬勃發(fā)展，目前我國電動車的驅(qū)動電機(jī)大多為永磁無刷直流電機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖三所示;

圖三無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)圖三永磁無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)由于國家政策的支持及廉28

無刷直流電機(jī)本體部分由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。首先,它們必須滿足電磁方面的要求,為保證在工作氣隙中產(chǎn)生足夠的磁通,電樞繞組允許通過一定的電流,以產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。1）定子定子是電機(jī)本體的靜止部分。由導(dǎo)磁的定子鐵心、導(dǎo)電的電樞繞組及固定鐵心和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成。如機(jī)殼、絕緣片、槽楔、引出線及環(huán)氧樹脂等。2)定子鐵心定子鐵心一般是由沖成帶有齒槽的環(huán)形硅鋼片疊成的,硅鋼片可以減少主定子的鐵耗,電樞繞組嵌放在齒槽中,槽數(shù)視繞組的相數(shù)和極對數(shù)而定。為了減少鐵心的渦流損耗,沖片表面涂絕緣漆或磷化處理。為了減少噪聲和寄生轉(zhuǎn)矩,定子鐵心采用斜槽,一般斜一個(gè)槽矩。無刷直流電機(jī)本體部分由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。首先,它們293)定子繞組定子繞組是電機(jī)本體的一個(gè)最重要的部件,它在電機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程中起著及其重要的作用。當(dāng)電機(jī)接上電源后,電流流入繞組,其產(chǎn)生的磁動勢與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場相互作用形成電磁轉(zhuǎn)矩。繞組除了要能通過一定的電流外還需結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠。4)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是電機(jī)本體中轉(zhuǎn)動的部分,由導(dǎo)磁體、永磁體和支撐零部件組成。無刷直流電機(jī)一般采用硅鋼乃口坡莫合金或電工純鐵作導(dǎo)磁材料.常采用的永磁材料有欽鐵硼\鐵氧體、高磁能積的稀土鉆永磁材料等。機(jī)械支撐零部件起著固定永磁體和導(dǎo)磁體的作用,主要包括轉(zhuǎn)軸、軸套和壓圈等。無刷直流電機(jī)課件30四無刷直流電機(jī)工作的結(jié)構(gòu)組成

圖4