無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)課件

1、直流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理，換向器和電刷的作用？（P35）2、交流同步伺服電動(dòng)機(jī)工作原理（P54）直流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)第7章無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

BrushlessDCMotors(BLDCMs)57.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)7.1.1概述及基本組成無(wú)刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖6無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

(a)結(jié)構(gòu)示意圖

(b)定轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu)

1.電動(dòng)機(jī)本體

7表面式磁極

嵌入式磁極

環(huán)形磁極

內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式

92.逆變器作用：控制電機(jī)定子各相繞組通電順序和時(shí)間。分類：半橋式（半控）

橋式（全控）102.逆變器b)四相半橋主電路

a)三相半橋主電路1)非橋式（半橋式）——半控型112.逆變器2)橋式——全控型c)星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路13主電路選擇原則繞組利用率：三相繞組優(yōu)于四相、五相繞組轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小電路成本：相數(shù)越多，電路成本越高星形聯(lián)接三相橋式主電路應(yīng)用最多3.位置傳感器位置傳感器：實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置153.位置傳感器位置傳感器有位置傳感器檢測(cè)無(wú)位置傳感器檢測(cè)磁敏式光電式電磁式接近開(kāi)關(guān)式正余弦變壓器編碼器反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)定子三次諧波檢測(cè)瞬時(shí)電壓方程法17逆變器、位置傳感器與控制器控制器：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心

位置傳感器：實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置逆變器：控制電機(jī)定子各相繞組通電順序和時(shí)間三者共同組成換相裝置，起到電子換向器作用18永磁無(wú)刷直流

電機(jī)系統(tǒng)圖控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆變器各功率開(kāi)關(guān)管，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。7.1.2基本工作原理

19工作原理磁極圖示位置→位置信號(hào)→邏輯變換→V1、V6開(kāi)通→A、B相導(dǎo)通→I:E+-A-B-E-→電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)過(guò)60o圖示位置→位置信號(hào)→邏輯變換→V1、V2開(kāi)通→A、C相導(dǎo)通→I:E+-A-C-E-→電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60o，逆變器開(kāi)關(guān)管換流一次、定子磁狀態(tài)改變一次，電機(jī)有6個(gè)磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o——兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場(chǎng)隔60O跳躍旋轉(zhuǎn)——自同步電機(jī)21無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)回顧1、系統(tǒng)組成及各部分作用

2、簡(jiǎn)述工作原理227.2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路及其工作方式

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路主要有星形聯(lián)結(jié)三相半橋式、星形聯(lián)結(jié)三相橋式和角形聯(lián)結(jié)三相橋式三種形式。7.2.1星形連接三相半橋主電路

23在三相半橋主電路中，位置信號(hào)有1/3周期為高電平、2/3周期為低電平，各傳感器之間的相位差也是1/3周期，如圖所示。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在360電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120電角度。我們把這種工作方式叫做單相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)。25傳感器：H1=1H2=0H3=0導(dǎo)通相：B26傳感器：H1=1H2=1H3=0導(dǎo)通相：C29傳感器：H1=0H2=0H3=1導(dǎo)通相：A30傳感器：H1=1H2=0H3=1導(dǎo)通相：B317.2.2星形連接三相橋式主電路

位置檢測(cè)器的三個(gè)輸出信號(hào)通過(guò)邏輯電路控制這些開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：二二導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。321.二二導(dǎo)通方式

電機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組的電磁功率求得：

式中

Ea、Eb、Ec———A、B、C三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)；

ia、ib、ic———A、B、C三相繞組的電流；

——轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。

可見(jiàn)，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動(dòng)勢(shì)的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動(dòng)勢(shì)越大，轉(zhuǎn)矩越大。每一瞬間只有兩個(gè)功率管導(dǎo)通33工作原理磁極圖示位置→位置信號(hào)→邏輯變換→V1、V6開(kāi)通→A、B相導(dǎo)通→I:E+-A-B-E-→電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)過(guò)60o圖示位置→位置信號(hào)→邏輯變換→V1、V2開(kāi)通→A、C相導(dǎo)通→I:E+-A-C-E-→電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60o，逆變器開(kāi)關(guān)管換流一次、定子磁狀態(tài)改變一次，電機(jī)有6個(gè)磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o——兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場(chǎng)隔60O跳躍旋轉(zhuǎn)——自同步電機(jī)34兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時(shí)繞組和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序表35三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律

2.三三導(dǎo)通方式

每一瞬間有三個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通372.三三導(dǎo)通方式

三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律

387.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。

電樞繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)變化如下圖所示如圖所示，電樞磁動(dòng)勢(shì)的直軸分量Fad對(duì)轉(zhuǎn)子主磁極產(chǎn)生最大去磁作用

39如圖所示，電樞磁動(dòng)勢(shì)的直軸分量Fad對(duì)轉(zhuǎn)子主磁極產(chǎn)生最大增磁作用。

可見(jiàn)，在一個(gè)磁狀態(tài)范圍內(nèi)，電樞磁動(dòng)勢(shì)在剛開(kāi)始為最大去磁，然后去磁磁動(dòng)勢(shì)逐漸減??；在1/2磁狀態(tài)時(shí)既不去磁也不增磁；在后半個(gè)磁狀態(tài)內(nèi)增磁逐漸增大，最后達(dá)到最大值。增磁和去磁磁動(dòng)勢(shì)的大小等于電樞合成磁動(dòng)勢(shì)Fa在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為40式中

F

——每相繞組的磁動(dòng)勢(shì)；

W——每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)；

Kw——繞組系數(shù)。

由于在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中磁狀態(tài)角比較大，直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)可以達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值，為了避免使永磁體發(fā)生永久失磁，在設(shè)計(jì)時(shí)必須予以注意。

417-4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本公式與數(shù)學(xué)模型無(wú)刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)、電勢(shì)、電流波形方波電動(dòng)機(jī)——梯形波反電勢(shì)與方波電流427.4.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)

(1)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間呈梯形(近似為方波)分布；(2)定子齒槽的影響忽略不計(jì)；(3)電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁通的影響忽略不計(jì)；(4)忽略電機(jī)中的磁滯和渦流損耗；(5)三相繞組完全對(duì)稱。

直接利用電動(dòng)機(jī)本身的相變量來(lái)建立數(shù)學(xué)模型

43三相繞組的電壓平衡方程為定子相繞組電壓定子相繞組電流定子相繞組自感、互感定子相繞組電動(dòng)勢(shì)微分算子44當(dāng)三相繞組為Y連接，且沒(méi)有中線，則：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib所以得電壓方程：45無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖所示

467.4.2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)氣隙磁密及反電動(dòng)勢(shì)波形如下圖所示

47設(shè)電樞繞組導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)a，導(dǎo)體的線速度為v，則單根導(dǎo)體在氣隙磁場(chǎng)中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為

(V)(m/s)如電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為W，則每相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值為

487.4.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的動(dòng)態(tài)模擬

依據(jù)基爾霍夫定律，可得換相過(guò)程中的電路方程為續(xù)流結(jié)束后，換相完成，電路方程變?yōu)椋?/p>

以上兩式構(gòu)成了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的線電壓模型

497.4.4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的簡(jiǎn)化分析

為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)不考慮開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作的過(guò)渡過(guò)程，并忽略電樞繞組的電感。這樣，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程可以簡(jiǎn)化為：

式中

UT——開(kāi)關(guān)器件的管壓降；

Ia——電樞電流；

E——線電動(dòng)勢(shì)，即電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。

50對(duì)于三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，任一時(shí)刻都有兩相繞組導(dǎo)通，故電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為

式中

Ce

——電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，

電樞繞組的電流為

在任一時(shí)刻，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由兩相繞組的合成磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生，則

51電機(jī)的轉(zhuǎn)速為

空載轉(zhuǎn)速為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為轉(zhuǎn)矩系數(shù)為527-5無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性7.5.1機(jī)械特性機(jī)械特性曲線

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為

53調(diào)節(jié)特性7.5.2調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為547-6無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)7.6.1轉(zhuǎn)子位置傳感器磁敏式位置傳感器

——霍爾元件電磁式位置信感器

——高頻線圈光電式位置信感器

——光耦合器件55置于磁場(chǎng)中的載流體，如果電流方向與磁場(chǎng)垂直，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場(chǎng)，這個(gè)現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應(yīng)?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)，是一種磁傳感器?？梢詸z測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢悾活悶殚_(kāi)關(guān)型器件，一類為線性霍爾器件。56HallIC霍爾元件磁電轉(zhuǎn)換HallIC霍爾元件功能方框圖57HallIC安裝方式第一種方式：將霍爾元件粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電機(jī)軸同軸的永磁體。第二種方式：直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據(jù)霍爾元件的輸出信號(hào)即可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置，將信號(hào)放大處理后便可驅(qū)動(dòng)逆變器工作。58HallIC安裝示意圖1、三個(gè)霍爾元件在空間依次相差120o電角度2、傳感器磁極與轉(zhuǎn)子磁極同軸旋轉(zhuǎn)、極數(shù)相等、極性相對(duì)應(yīng)59電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成，轉(zhuǎn)子由扇形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成定、轉(zhuǎn)子磁芯均由高頻導(dǎo)磁材料(如軟磁鐵氧體)制成。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時(shí)，輸入和輸出繞組通過(guò)定、轉(zhuǎn)子磁芯耦臺(tái)，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號(hào)，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器開(kāi)關(guān)管。60優(yōu)點(diǎn)1：電磁式傳感器具有較高的強(qiáng)度，可經(jīng)受較大的振動(dòng)沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)2：電磁式位置傳感器輸出信號(hào)較大，一般不需要經(jīng)過(guò)放大便可直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，但因輸出電壓是交流，必須先整流。缺點(diǎn)：傳感器過(guò)于笨重復(fù)雜，因而大大限制了其在普通條件下的應(yīng)用。61(a)光電傳感器電路原理圖

(b)4極電機(jī)所用的遮光盤(pán)

對(duì)于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，三個(gè)光電開(kāi)關(guān)在空間依次相差120電角度，光電開(kāi)關(guān)與電樞繞組的相對(duì)位置以及遮光盤(pán)與轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置類似于霍爾位置傳感器。

光電式位置傳感器是由裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的遮光盤(pán)和固定不動(dòng)的光電開(kāi)關(guān)組成的，其原理如圖

(a)所示。遮光盤(pán)上開(kāi)有180°電角度的扇形開(kāi)口，扇形開(kāi)口的數(shù)目等于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對(duì)數(shù)，4極電機(jī)所用遮光盤(pán)如圖

(b)所示；光電開(kāi)關(guān)通常采用將發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續(xù)器。

控制電機(jī)總結(jié)步進(jìn)電機(jī)自整角機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)直流

交流伺服電動(dòng)機(jī)直流

交流無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)大作業(yè)要求題目：控制電機(jī)分析內(nèi)容：1、概述2、結(jié)構(gòu)、工作原理3、運(yùn)行方式（控制方式）4、應(yīng)用舉例頁(yè)數(shù)要求：至少8頁(yè)（A4）格式要求：1、封皮2、目錄3、正文4、參考文獻(xiàn)目錄標(biāo)題“目錄”（三號(hào)、黑體、居中）章標(biāo)題（四號(hào)、黑體、居左）節(jié)標(biāo)題（小四、宋體）頁(yè)碼（小四、宋體）正文章標(biāo)題（三號(hào)、黑體、居中）節(jié)標(biāo)題（四號(hào)、黑體、居左）正文（小四號(hào)、宋體）

電樞繞組在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，經(jīng)換向器變換后，輸出與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓。工作原理1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)原理電路電壓平衡方程式

1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出特性

不同負(fù)載時(shí)的理想輸出特性1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原