第七章課件(一)

第七章特殊電機(jī)7.1永磁電動(dòng)機(jī)7.2正弦波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)7.3矩形波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

臨沂大學(xué)7.4開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)7.1永磁電動(dòng)機(jī)用永磁體取代電勵(lì)磁。永磁電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化。永磁電機(jī)一般為800W以下的小型和微型電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高、運(yùn)行可靠。不足之處是使用不當(dāng)，如：超溫、電樞反應(yīng)過(guò)大、強(qiáng)烈振動(dòng)，容易造成退磁，使電機(jī)性能下降，甚至無(wú)法使用。永磁電機(jī)中所使用的永磁材料主要有兩種：鐵氧體和釹鐵硼。1.永磁直流電動(dòng)機(jī)★永磁直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的?！镫妱?dòng)機(jī)的工作原理、基本方程和性能與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)相同?！镉来胖绷麟妱?dòng)機(jī)仍然裝有換向器和電刷，使維護(hù)工作量加大，并使電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到一定限制。(圖8－1)2.永磁同步電動(dòng)機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)（圖8－2）采用對(duì)稱三相短距、分布繞組，定子電流為三相正弦電流，只是轉(zhuǎn)子上用永磁體取代直流勵(lì)磁繞組和主磁極。異步起動(dòng)（圖8－3、8－4）磁滯起動(dòng)（圖8－5、8－6）電樞放在定子上，磁極裝在轉(zhuǎn)子上，便可成為永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。主要有矩形波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和正弦波無(wú)刷電動(dòng)機(jī)兩種。永磁體的裝置方式用變頻電源供電的永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子表面上的永磁體有兩種裝置方式，一種是表面凸出式，一種是表面插入式。（圖8－7）7.2正弦波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)☆電機(jī)的特點(diǎn)是：（1）永磁體的表面設(shè)計(jì)成拋物線形，極弧大體為120o，使永磁體所產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)呈正弦或準(zhǔn)正弦分布。（2）定子繞組為短距、分布繞組；（3）定子由正弦波脈寬調(diào)制SPWM）的電壓型逆變器供電，三相電流為正弦或準(zhǔn)正弦波。采用電動(dòng)機(jī)慣例，以輸入電流作為定子電流的正方向。

1．電壓方程（圖8－8）（8－1）

對(duì)采用表面插入式永磁體的正弦波無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，。用虛擬電動(dòng)勢(shì)表示時(shí)，電壓方程也可寫成（8－2）由于，故上式亦可寫成（8－3）對(duì)于轉(zhuǎn)子為隱極的情況，，式（8－1）可簡(jiǎn)寫為由于和、均為同相（軸方向），故式（8－4）可簡(jiǎn)寫成電壓方程對(duì)比式（8－3）和式（8－1），可知（8－4）（8－6）（8－5）2.電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩把式（8－5）的代入上式，可知（8－7）

由此可得電磁轉(zhuǎn)矩（8－8）正弦波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速是通過(guò)調(diào)節(jié)供電變頻器的頻率和輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié)的。在轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速以下，為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，在轉(zhuǎn)速以上，為恒功率運(yùn)行。(圖8－9、8－10)7.3矩形波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

矩形波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)亦稱為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。1.空載磁場(chǎng)分布永磁體的極弧為120o，氣隙磁場(chǎng)分布為接近120o的矩形波。2.定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分析時(shí)作以下假設(shè)：（1）永磁體的極弧為180o，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)呈矩形波分布；（2）定子繞組為Y聯(lián)結(jié)、三相整距繞組；（3）由于計(jì)算氣隙較大，故電樞反應(yīng)很小，可以忽略不計(jì)。（圖8－11）線圈電動(dòng)勢(shì)（圖8－12）（8－13）以代替得（8－14）相電動(dòng)勢(shì)（8－15）式中，C為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。該種電機(jī)，線圈電動(dòng)勢(shì)和相電動(dòng)勢(shì)都是矩形波。

3.定子電流和定子磁動(dòng)勢(shì)（圖8－13）矩形波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的定子繞組通常由逆變器供電，輸入電流為對(duì)稱的三相矩形波電流。只有兩相繞組導(dǎo)通，另外一相電流為0。（圖8－14）(圖8－15)定子繞組所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)躍進(jìn)式磁動(dòng)勢(shì)。4.電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率

式中，C為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。電磁功率為（8－19）（8－18）5.電壓方程（8－20）式中，為兩相繞組內(nèi)的合成電動(dòng)勢(shì)，；為兩相繞組電阻之和，。6.機(jī)械特性（圖8－16）（8－21）

7.控制系統(tǒng)（圖8－17）矩形波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是自控式，控制系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、變頻器、位置傳感器、脈沖分配器組成。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種定子單邊激勵(lì)，定、轉(zhuǎn)子兩邊均為凸極結(jié)構(gòu)的磁阻電動(dòng)機(jī)，由于定子電流由變頻器電源供電，電動(dòng)機(jī)必須在特定的連續(xù)開關(guān)模式下工作，所以通常稱為“開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)”。7.4開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（圖8－18）開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的鐵心由硅鋼片疊壓組成，定、轉(zhuǎn)子都做成凸極式，定、轉(zhuǎn)子磁極不等，通常定子六極、轉(zhuǎn)子四極或定子八極、轉(zhuǎn)子六極。磁極均勻分布，定子相對(duì)的磁極為一組，其上的集中繞組相串聯(lián)稱為一相。若定子上凸極數(shù)為

定子相數(shù)。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何繞組，所以這種電動(dòng)機(jī)是所有電機(jī)中結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的一種。轉(zhuǎn)子的凸極數(shù)通常為偶數(shù)。2．工作原理（圖8－19）通常把轉(zhuǎn)子凸極軸線與定子激勵(lì)相軸線相重合的位置稱為對(duì)齊位置。當(dāng)一相繞組通電，轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下，旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，轉(zhuǎn)子磁極與對(duì)應(yīng)相繞組軸線對(duì)齊，本相電源斷開，下一相通電，轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下，又轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，轉(zhuǎn)子凸極與下一相繞組軸線對(duì)齊，依此類推，按照一定的順序通斷電，電機(jī)轉(zhuǎn)子將持續(xù)轉(zhuǎn)下去。氣隙磁場(chǎng)的推移速度

（8－24）（8－26）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩與電流（圖8－20）、（圖8－21）（圖8－22）、（圖8－23）8－1永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式有哪些？8－2正弦波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有哪些？采用什么方式供電？8－3分析矩形波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)需要做哪些假設(shè)？8－4分析開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理。+－圖8－1永磁直流電動(dòng)機(jī)示意圖~圖8－2永磁同步電動(dòng)機(jī)示意圖圖8-3永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的起動(dòng)繞組永磁體籠型起動(dòng)繞組極靴圖8-4永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的平均電磁轉(zhuǎn)矩極間填充材料星形永磁體磁滯環(huán)圖8－5采用磁滯起動(dòng)時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子圖8－6采用磁滯材料的轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中時(shí)的磁滯角轉(zhuǎn)子鐵心永磁體轉(zhuǎn)軸a)轉(zhuǎn)子鐵心永磁體轉(zhuǎn)軸b)圖8－7永磁體在轉(zhuǎn)子表面的裝置方式a)凸出式b)插入式軸軸軸圖8－8正弦波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的相量圖（為滯后）圖8－9調(diào)頻運(yùn)行時(shí)正弦波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行范圍恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行恒功率運(yùn)行圖8－10轉(zhuǎn)折點(diǎn)B處電動(dòng)機(jī)的相量圖（）a)NSNSb)圖8－11矩形波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的空載磁場(chǎng)分布a)空載磁場(chǎng)分布b)空載氣隙磁場(chǎng)121′2′180o360oOSNb)150o0c)30o180o90o270o360o圖8－12定子線圈和相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

的定子三相整距繞組

b)時(shí)定子表面的磁場(chǎng)分布c)線圈1、2和相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

1號(hào)線圈軸線×·····××××

軸a)NS150o120o45o30o90o0180o60o270o360o360o270o180o90o0090o180o270o360o圖8－13定子三相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和三相矩形電流（電動(dòng)機(jī)慣例）

軸×·××·×··a)NS×····×××

軸b)NS圖8－14轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角和時(shí)，定子各相帶中的電流和轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩a)時(shí)，為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩b)時(shí)，為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩ABCABCABCABCABCABC電動(dòng)機(jī)定子ABCUV1V3V5V4V6V2VD1VD3VD5VD4VD6VD2圖8－15三相橋式逆變器的主電路（定子繞組為Y聯(lián)結(jié)）θ45o~105o105o~165o165o~225o225o~285o285o~345o345o~45o導(dǎo)通器件和相帶V1(A)V1(A)V3(B)V3(B)V5(C)V5(C)V6(Y)V2(Z)V2(Z)V4(X)V4(X)V6(Y)繞組內(nèi)的電流流向圖8－16機(jī)械特性和電動(dòng)機(jī)的容許工作范圍a)機(jī)械特性b)容許工作范圍a)b)長(zhǎng)期運(yùn)行間歇運(yùn)行M脈沖分配器整流器逆變器矩形波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)位置傳感器三相交流電源ABCUV1V3V5V4V6V2VD1VD3VD5VD4VD6VD2圖8－17矩形波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、變頻電源和控制系統(tǒng)定子轉(zhuǎn)子b)R1定子轉(zhuǎn)子R1R2C)圖8－186／4型開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖a)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)b)轉(zhuǎn)子凸極R1處于對(duì)齊位置c)R1和R2處于對(duì)齊位置

a)11′2′2311′3′圖8－19開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理

a)繞組1導(dǎo)通時(shí)，R1、R3上受到磁阻轉(zhuǎn)矩b)繞組1關(guān)斷前，R1、R3達(dá)到對(duì)齊位置c)繞組2導(dǎo)通時(shí)，R2、R4上受到磁阻轉(zhuǎn)矩a)11′2′233′NSb)11′2′233′NS