1、新型电机系统研究与应用新 进 展p 新型电机系统的概念p 新型电机系统发展p 结束语p 特色研究方向新型电机系统的概念与沿革一、基 本 定 义广义：电机是实现机电能量转换和信号传递与转换 的装置 涵盖所有电力器械传统：电机是依据电磁感应定律实现机电能量转换 和信号传递与转换的装置 仅涵盖电 磁式电机 (器)，即必须以磁场为媒体二、基 本 类 型按运动方式划分为静止电器（变压器、电磁铁）和运动电机（旋转电机、直线电机）两大类，按供电方式又有交流、直流之分。通常按功能分类有： 发电机由原动机拖动，将机械能转换为电能 电动机将电能转换为机械能，驱动生产机械 变压器用于交流电压幅值变换，输配电设备 特
2、种电机进行信号传递与转换，控制执行元件三、基 本 定 律)(t vlB v l Bee )( lB i l Bf电磁感应定律：电磁力定律：四、基 本 结 构电路：由导电材料构成，为电流流经路径磁路：主要由铁磁材料构成，为磁通行经路径旋转（直线）电机：有定子和转子（动子）两部 分，电路和磁路亦有定子侧 转子侧之分结构举例交流永磁电机整机定子转子五、直流电机的诞生和发展 社会需要比十所大学更能推动科学技术的发展 蒸汽动力输送、管理矛盾 寻求新的动力源 伏特电池 (1800.3.20) + 奥斯特偏转 (1820.7.21) 法拉第水银杯实验 (1821.9.3) 电动机 电池昂贵 寻求机械能直接转
3、换电能的装置 法拉第电磁感应 (1831.8.29) 发电机 廉价直流电源 励磁：永磁体 电磁铁 (他励电流线圈) 西 门子兄弟发明的自励技术 (1866) 绕组：单独导体 环形绕组 (1870) 鼓形绕 组 (1873) 铁心：整块 叠片 开槽 (1880) 换相：换相、补偿绕组 (1884) + 碳电刷 (1885) 电机可逆性原理 (楞次，1833) + + + + 实用型直流电机+ 1882，2 kW 直流电传输 57 km 送到慕尼黑。六、交流电机的诞生和发展 新矛盾：直流远距离传输的高压需求与高电压大 容量直流电机的可靠换相 交流电机研制 基础：Arago 旋转 (1825) 交流
4、电机原理 法拉第电磁感应定律 变压器原理+ 1876，诞生单相交流发电机和开磁路变压器+ 1884，发明闭合磁路变压器；1885，基本完善 远距离输电问题缓解，但交流电动机成为新问题+ 1883，Depratz 建立旋转磁场理论+ 1885.3，Ferraris 制成第一台两相感应电动机+ 1885.8，Tesla 也独立制成两相感应电动机+ 1888，多利沃提出三相制 (效率高、材料省)，制 成第一台三相同步发电机 (2.2 kW)+ 1889，多利沃制成第一台三相鼠笼式感应电动机 + 1891，法兰克福建成第一个三相电力系统 电力系统规模扩大，频率标准化 (50 Hz， 60 Hz) 新型
5、电机系统发展趋势基于计算机技术、电力电子技术、超导技术的发展1. 设计制造最优化 CAA + CAD + CAM CIMS IOD + FMS CAA (Computer-Aided Analysis) CAD (Computer-Aided Design) CAM (Computer-Aided Manufacture) CIMS (Computer Integrate Manufacturing System) IOD (Intelligent Optimal Design) FMS (Flexible Manufacturing System)2. 运行控制最优化 (自动化、数字化、智能
6、化) 速度无级调节 (调速比可达 1000,000 或以上) 特性改造 (交直流, 同异步, 连续断续, 低中高频) 实时监控 (状态显示,远程控制,故障录波与处理) 故障诊断 (故障树分析, 专家系统与智能化诊断) 状态维修 (寿命分析,维修决策,网络化最优运行) 容错能力 (故障态运行, 状态识别, 自适应调整)+ 设计制造最优化 + 运行控制最优化 全局最 优化 高品质电机 (机电特性, 环保特性等)3. 高温超导技术应用 已试制 1000 kVA 变压器，发电机在研制中 比重量更小，效率更高，单机容量更大 高温超导技术工业化应用的主要领域 分析设计理论和运行控制方法会有重大突破4. 集
7、成化、机电一体化 便携式机电设备，袖珍式电动器具5. 小型化、微型化 自动化仪器仪表、体内医疗器械6. 与高新技术融为一体 是新材料、新工艺、新方法的产物 为高新技术服务或推动高新技术发展 (超声波 电机与纳米技术, 形状记忆合金与智能机器人)7. 形成新的理论和方法体系 从电路、磁路观点发展为从电场、磁场观点 宏观电机学 微观电机学 从电源、电机相互独立到电机和电力电子驱动 控制系统成为机电一体化整体 普通电机学 电子电机学 世界著名电机研制机构 ABB-Alstom (Sweden+UK+France+Canada) Siemens (Germany+USA), GE (USA) Hita
8、chi (Japan), St. Petersburg EM (Russian) 国内主要研制单位 四大研究所：哈尔滨，上海，广州，西安 三大电机厂：上海，哈尔滨，东方 三大变压器厂：沈阳，保定，西安 两个国家重点学科：华工，清华 一个国家重点专业实验室：华工新型电机优化设计技术 电机设计是一个复杂的过程，需考虑多种因素，并不断进行综合和分析，是一个反复调整设计方案和对设计方案进行评价的过程。电机设计主要内容电磁设计结构设计绝缘设计外观设计优化设计 现代电机设计质量要求越来越高，要求缩短开发周期、降低开发成本，因此需要采用恰当、先进的设计方法提高设计的精准度。电机设计常用手段计算机电磁程序C语
9、言、C+、FORTRAN、MATLAB有限元数值计算ANSYS、ANSOFT、JMAG、MAGNEFORCE建模仿真分析MATLAB、PSIM虚拟样机设计SolidWorks、AutoCAD1. 有限元数值计算 有限元方法是当前应用最广泛的数值解法，具有通用性强、使用范围广的特点。+ 基本原理：首先利用变分原理把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题，然后利用对场域的网格剖分离散和在单元上对场函数的插值近似，将变分问题转化为普通多元函数的极值问题，最终归结为一个求解代数方程组的数值解。+ 有限元分析软件：ANSYS ANSOFT JMAG MagneForce PATRAN ComsolANS
10、YS最全面的有限元分析软件最全面的有限元分析软件l 学科：力学、电磁学、热学、流体学、声学等l 应用：核工业、石油化工、航空航天、国防军工、 机械制造、土木工程等l 主要模块：前处理模块：构造有限元模型；分析计算模块：结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析；后处理模块：将计算结果以多种图形方式显示，或以图表、曲线形式显示或输出。l 计算量大，对计算机要求较高图形窗口主菜单工具栏命令窗口通用菜单ANSOFT专注于电磁场的有限元分析软件专注于电磁场的有限元分析软件l 以电磁计算为基础：基于物理原型，快速精确地仿真和验证设计方案，精确考虑细节的电磁场效应l 应
11、用：现代通讯系统、雷达、电机、开关电源、机电系统、汽车传动系统设计和复杂EMI/EMC仿真等l 操作界面友好，易于上手实例：直线感应电机电磁分析直线感应电动机算例参数 ANSOFT Maxwell 2D 的直线感应电机模型 直线感应电机的二维有限元剖分图t=0.325秒时的磁场分布t=0.325秒时气隙中磁场磁通密度随位置的分布直线感应电机起动时推力、法向力曲线随时间的变化曲线JMAG电机行业的专业软件电机行业的专业软件l 专业的电机分析软件：主体算法和数值算法完全针对电机等低频电磁应用l 操作简单符合电机的运行原理；可直接导入CAD软件绘制的2D及3D图形，模型修改方便。l 功能齐全既可作自
12、动剖分，也可手动剖分做细微调整；可使用2 CPU进行求解，求解速度快，效率高；材料库齐全，提供材料的损耗曲线；可以做振动和电磁噪声分析；含有参数化分析功能。l 系统开放性好：和很多其它软件具有共同接口，可与Simulink、PSIM等常用软件联合运行。实例1：SolidWorks三维图形导入实例2：电机磁场分析电机外径铁心长度每相电阻阻值矫顽力磁化方向每槽导体数电机基本参数选取工程模型电机模型及每槽绕组方向电机求解区域(利用对称性)电机定子尺寸电机转子尺寸空载分析全模型显示空载分析全模型显示空载网格剖分结果空载网格剖分结果空载齿槽转矩空载齿槽转矩空载磁通密度空载磁通密度负载电流波形负载电流波形
13、负载转矩波形负载转矩波形负载磁通密度负载磁通密度2. 建模仿真分析 MATLAB集科学计算、自动控制、信号处理、图像处理等功能于一体，适合于动态系统的建模和仿真。+ MATLAB是国际上公认的最优秀数值计算和仿真分析软件。+ Simulink 是MATLAB中的动态仿真工具，具有强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境。Simulink算例1：直流电动机建模仿真直流电动机仿真模型封装后的电机模型额定电压下电机的转速起动2s后加上负载的转速给定一组直流电机的参数，可得到如下仿真结果：异步电动机在二相同步旋转坐标系( M、T坐标系)下的动态结构图算例2：异步电动机建模仿真电压转换子模块
14、电流转换子模块电压变换公式电流变换公式封装后的电机模型电机转速图电机稳定运行三相电流 给异步电动机模型施加工频下额定电压，让其空载起动，到ls 时再加入负载转矩，仿真该电机的起动过程3. 虚拟样机设计 运用三维软件在计算机中对样机的各个零部件构建模型；在各个零部件构建完成以后进行虚拟组装，构建成完备的样机。+ 在建模和装配期间可实时的分析和修改，极大地方便了设计人员与客户之间的交流，及时地对产品作出修正与改进。+ 主流的三维CAD软件：AutoCAD、SolidWorks、Virtual NC、Pro/Engineer、CATIA、TELEGRIP、SolidEdge。 SolidWorks软
15、件的主要优势：+ 二次开发功能 兼容性良好，支持OLE(对象的嵌入与链接)和COM(组件对象模型接口)的编程语言都可以作为SolidWorks的开发工具。+ 强大的绘图自动化强化性能+ 完备的插件功能 可选用国际标准规格，也可在生成的三维模型中进行适合自己的修改。+ 实时编辑修改性能 既能对零部件进行设计修改，也可在装配体内设计和更改零部件，确保各零部件之间完美配合。+ 全面合理的装配模式+ 方程式功能 通过方程式可以建立各零部件或者不同的装配体之间的关联性，省去繁杂的修改过程。+ 二维工程制图功能 为零部件或装配体进行三维模型构建的同时，也可建立二维工程图文件。零件绘制零件绘制二维工程图二维
16、工程图实例：ALA-PM组合式转子电机 定子转子轴承端盖新型电机制造技术与工艺大型汽轮发电机 大型水轮发电机大型发电机的定子内侧 大型发电机制造业发展的特点是：单机容量的不断增大，零部件的单位电磁负荷、热负荷和机械负荷的提高，材料与冷却系统的不断改进以及在现代化科技成果的基础上全新结构的设计。 大型发电机需求一般多是小批量的，但是为了缩短生产周期，并且保证较大的可靠性，必须做进一步完善工艺的工作。+ 进一步采用计算机优化设计，力求电机的体积小、材料省、结构新及质量高，以便不断提高产量与降低成本，适应国内外市场的需要。+ 不断发展新产品、新材料与新工艺，在引进国产化的基础上不断发展新品种，采用新
17、型的导磁材料与绝缘材料，推广高速多工位级进冲、高速自动冲槽机、压合铁心、绕组机械化嵌线及滴浸、连续沉浸等新工艺。进一步的完善工作可归纳为以下途径：进一步的完善工作可归纳为以下途径：+ 加速生产工艺的机械化与自动化，如可快速调整的加工自动线、数控机床进行群控的柔性加工系统在机械加工中广泛应用，多工位高速自动级进冲床、高速自动冲床在铁心制造中广泛应用，拉入式自动下线机、插槽绝缘机、插槽楔机、端部绑扎机等在绕组制造中的广泛应用。+ 加强计算机在电机测试中的应用，提高测试技术与手段，确保电机产品质量的不断提高。+ 加强技术、生产与经营管理，节约原材料，降低生产成本，提高劳动生产率，为企业创造更多的经济
18、效益。 用于电机铁芯加工的冲床大型电机用的扇形铁芯+ 绕组是电机的心脏。 电机的寿命和运行可靠性，主要取决于绕组的制造质量和运行中的电磁作用、机械振动及环境因素的影响。而绝缘材料与结构的选择、绕组制造过程中的绝缘缺陷和绝缘处理的质量，是影响绕组制造质量的关键因素。为此，为了确保绕组的制造质量，必须正确地掌握绕组制造、绕组的嵌装和绝缘处理工艺要领、工艺参数和工艺诀窍。p工作研究的基本概念工作研究的基本概念 p工作研究的目标工作研究的目标p工作研究的范畴工作研究的范畴 p工作研究对提高生产率的作用工作研究对提高生产率的作用 p工作研究的实施程序工作研究的实施程序工作研究（工作研究（Work Stu
19、dyWork Study）是方法研究和作业测定的总）是方法研究和作业测定的总称，是称，是IEIE体系中最重要的基础技术。体系中最重要的基础技术。工作研究是在现有设备的条件下，对生产程序和操作工作研究是在现有设备的条件下，对生产程序和操作方法进行分析研究，寻找效率最高、成本最低及质量方法进行分析研究，寻找效率最高、成本最低及质量最好的工作方法，并制定标准时间。最好的工作方法，并制定标准时间。工作研究包括工作研究包括“方法研究方法研究”和和“作业测定作业测定”两大技术。两大技术。世界各国都把工作研究作为提高生产率的首选技术。世界各国都把工作研究作为提高生产率的首选技术。如美国如美国90%90%以上
20、的企业都应用了工作研究，企业的生产以上的企业都应用了工作研究，企业的生产率普遍提高率普遍提高51%51%。 方法研究的概念方法研究的概念对现有的各项作业、工艺和工作方法进行系统分析，寻求完成某对现有的各项作业、工艺和工作方法进行系统分析，寻求完成某项工作的最经济合理的方法，达到减少人员、机器、以及无效动项工作的最经济合理的方法，达到减少人员、机器、以及无效动作和物料消耗的目的，并使工作方法标准化；作和物料消耗的目的，并使工作方法标准化；要点：要点：v 对工作方法进行改进及标准化的一种技巧；对工作方法进行改进及标准化的一种技巧；v 消除生产系统中不合理、不均衡、不经济的因素，寻求最有效消除生产系
21、统中不合理、不均衡、不经济的因素，寻求最有效的标准工作方法；的标准工作方法； 作业测定的概念作业测定的概念在掌握和消除生产过程中多余和无效时间后，制定出用经济合理在掌握和消除生产过程中多余和无效时间后，制定出用经济合理的工作方法完成某项工作所需的标准时间，达到减少人员、机器的工作方法完成某项工作所需的标准时间，达到减少人员、机器以及设备空闲的目的。以及设备空闲的目的。要点：在方法研究的基础上正确测定作业量并制定标准工作时间。要点：在方法研究的基础上正确测定作业量并制定标准工作时间。联系联系两两者是相者是相辅辅相成、相成、互为渗透互为渗透的。一般的。一般来说，作业测定应该来说，作业测定应该在方法
22、在方法研究的研究的基础上进基础上进行。行。换换句句话说话说, ,只有只有经过经过方法研究方法研究, ,使得使得生产过程生产过程和操作和操作( (动动作作) )方法合理后方法合理后, ,作业测定作业测定才有才有意义意义。另一方面。另一方面, ,“时间时间乃乃动动作的影子作的影子”, ,时间时间是衡量工作方法优劣的主要尺度。所以是衡量工作方法优劣的主要尺度。所以, ,方法方法研究常用研究常用作业测定作业比较作业测定作业比较和和选择选择工作方法的工作方法的依据依据。区别区别方法研究研究如何方法研究研究如何减减少少作业作业的工作量的工作量, ,而而作业测定则作业测定则研究如何研究如何减少减少无效时间无
23、效时间, ,并并以方法研究所以方法研究所确定确定的工作量的工作量为基础为基础, ,进进一步制定一步制定该作该作业业的的标准时间标准时间。 方法研究方法研究把工作简化并制定出进把工作简化并制定出进行某项工作更经济的方行某项工作更经济的方法和程序。法和程序。作业测定作业测定确定进行某项工作确定进行某项工作所需的合理时间。所需的合理时间。工作工作研究研究提高提高生产率生产率方法时间测量（方法时间测量（MTMMTM）模特计时法（模特计时法（MOD MOD ）方法研究方法研究1 1、方法、程序、方法、程序2 2、材料、材料3 3、工具和设备、工具和设备4 4、工作环境、工作环境程序分析程序分析对整个制造
24、程序对整个制造程序或工序的分析或工序的分析工序程序图工序程序图产品或材料产品或材料的流程图的流程图流程程序图流程程序图布置与路经分析布置与路经分析线图或线路图线图或线路图操作分析操作分析动作分析动作分析人机操作分析人机操作分析联合作业分析联合作业分析（工作时）双手操作分析（工作时）双手操作分析动作要素分析动作要素分析动作经济原则动作经济原则制定标准工作法制定标准工作法作业测定作业测定设定时间标准设定时间标准直接法直接法密集抽样时间研究密集抽样时间研究密集抽样法密集抽样法分散抽样时间研究分散抽样时间研究工作抽样工作抽样合成法合成法预定时间研究标预定时间研究标准法（准法（PTSPTS）标准资料法标
25、准资料法工作因素法（工作因素法（WFWF）简易简易WFWF法法制定标准时间制定标准时间训练操作工人训练操作工人工作研究工作研究实施步骤实施步骤工作研究的范围工作研究的范围选择所要研究的工作或工艺选择所要研究的工作或工艺( (考虑经济因素、技术因素、人的因素等考虑经济因素、技术因素、人的因素等) )；观察现行方法，记录全部事实观察现行方法，记录全部事实( (采用图表法、图解法，如工艺程序图、流采用图表法、图解法，如工艺程序图、流程程序图、双手操作图，人机程序图，线路图等程程序图、双手操作图，人机程序图，线路图等) )；（提出问题阶段）；（提出问题阶段）严格分析所记录的事实：采用严格分析所记录的事
26、实：采用“5W1H5W1H”提问技术对记录的每一件事项逐一提问技术对记录的每一件事项逐一进行考查，进行考查， 按照按照“ECRSECRS” （取消（取消- -合并合并- -重排重排- -简化）简化）四大原则来建立最四大原则来建立最经济的新方法。经济的新方法。 （分析问题阶段）（分析问题阶段）制定新方法：设计新的方法正确地解决问题，设计若干可行的方案制定新方法：设计新的方法正确地解决问题，设计若干可行的方案 （解（解决问题阶段）决问题阶段）评选新方案：根据适用性、经济性等原则评价这些备选方案，并确定新评选新方案：根据适用性、经济性等原则评价这些备选方案，并确定新的工作方法；的工作方法；计算标准作
27、业时间（确定所选择方法的工作量及有关的作业时间，采用计算标准作业时间（确定所选择方法的工作量及有关的作业时间，采用作业测定制定这一工作的标准作业时间）；作业测定制定这一工作的标准作业时间）；建立新方法：（报告书，工作标准，工作的时间标准）建立新方法：（报告书，工作标准，工作的时间标准）实施与维持新方案实施与维持新方案 。确定研究对象确定研究对象记录现有的工作方法记录现有的工作方法分析现有工作方法的不足分析现有工作方法的不足制定新工作方法制定新工作方法评价各种新工作方法评价各种新工作方法计算标准工作时间计算标准工作时间建立新方法建立新方法新方法的实施与维持新方法的实施与维持方方法法研研究究作业测
28、定作业测定制定工作标准制定工作标准和时间标准和时间标准寻找问题寻找问题分析问题分析问题解决问题解决问题新型电机控制技术 针对电机控制对象的不同，电机控制技术分为直流电机控制和交流电机控制。+ 直流电机因电刷和换向器的存在需要经常检查维修，同时直流电机的容量和速度等也受到换向的限制。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动中得到广泛的应用。直流控制技术在理论实践上都比较成熟，是交流控制技术的基础。 自20世纪6070年代，随着电力电子技术、计算机控制技术和大规模集成电路的发展，高性能交流控制技术应运而生，并逐步取代了直流控制技术的统治地位。
29、+ 按控制原理交流控制技术可分为：变压变频控制、矢量控制、直接转矩控制、无位置传感器控制、弱磁控制等。 变压变频控制 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成成正比的关系：n=60f(1-s)/p (式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数)；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。+ 控制特点 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：应用范围广，可用于笼型异步电动机；属于开环控制，无法精确控制电磁转矩；在突加负载或者速度指令时，容易发生失步现象；没有快速的动态响应特性。通用型变频器 矢量控制 矢量控
30、制实现的基本原理是通过测量和控制交流电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对交流电机的励磁电流分量和转矩电流分量进行控制，从而达到控制电机转矩的目的。+ 控制特点 矢量控制系统能实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，有着优良的控制性能。价格贵，适合控制要求比较高的场合。 直接转矩控制 这种控制实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量。+ 控制特点 转矩响应快，控制性能比较好，电机低速时电流和转矩的脉动明显。 无位置传感器控制 无速度传感器控制是
31、通过对电机绕组中的相关变量如定子电流、电压等来对电机磁链的观测和转子的速度或位置进行估计。这种控制方式无须位置传感器，节省了硬件成本。由于这种控制算法只是对磁链的观测以及转子的速度进行估计，在一定程度上影响了系统的控制精度。 + 弱磁控制 弱磁控制是指当电动机的端电压和电流均达到极限值时，要使电动机能继续恒功率运行于更高的转速状态，应设法降低电机的励磁电流，减小磁通从而保证电压的平衡。控制复杂，一般在超过额定转速时使用。 控制系统中的检测元件就是要实时的对被测对象的运动参数进行检测和数据处理。常用的检测速度、位置的元件有光电编码器、磁编码器、旋转变压器等。 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴
32、上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器。 磁编码器是通过磁场效应将输出轴上的机械几何位移量通过信号处理转换成脉冲或数字量的传感器。磁编码器具有高速、实时的信号处理功能，实现了集成化与小型化。 旋转变压器是一种电感式角度传感元件，其输出电信号与转子转角成某种固定的函数关系。一般用于高精度位置控制系统中。 特色研究方向 永磁无刷直流电机的工作原理与结构永磁无刷直流电机的工作原理与结构一、永磁无刷直流电机u永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、控制器和转子位置传感器三部分。永磁无刷直流电机的控制器和电机本体紧密结合，是典型的机电一体化器件。永磁无刷直流电机的构成
33、u永磁无刷直流电机本体结构与永磁同步电机类似，转子用永磁体励磁，定子由导磁的铁心和导电的电枢绕组组成。与永磁同步电机不同的是，永磁无刷直流电机的转子磁场空间分布是方波，因而转矩密度大，永磁体利用率高，而且控制相对简单，只需要较少的转子位置信息就能驱动电机正常运行。u转子位置信息由位置传感器给出。位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件，主要有电磁式、磁敏式、光电式等几种，采用不同的原理检测电机转子位置，将位置信号变换成电信号输出给控制器。控制器根据位置传感器的信号以一定的逻辑关系驱动逆变桥上的功率元件，控制永磁无刷直流电机定子某些相导通，另外一些相关断，在绕组中建立一定磁场，并使该磁场与转子永磁
34、体磁场成一定角度，从而产生电磁转矩，驱动转子旋转，使电机正常运行。 永磁无刷直流电机运行过程永磁无刷直流电机运行过程u下面以常见的三相桥式Y接一对极电机为例详细说明永磁无刷直流电机的控制过程。永磁无刷直流电机的工作原理定转子磁场旋转示意图u永磁无刷直流电动机转子位置信号获取方法主要包括有位置传感器检测和无位置传感器检测两种。u在无刷直流电动机中，位置传感器也存在许多弊端，由于成本，可靠性，和位置传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能，对电机的装配工艺要求很高。常用的无位置传感器检测技术无位置传感器控制技术的核心是通过软/硬件等不同技术手段来间接获得可靠的转子位置信号，从而控制相应的功率
35、器件，实现无刷直流电机的调速运行。近年来，国内外出现了很多转子位置检测方法，较为常见有反电势法、续流二极管法、电感法和状态观测法、卡尔曼滤波法、智能控制法等。 永磁无刷直流电机的转子位置检测和控制永磁无刷直流电机的转子位置检测和控制u在各种永磁无刷直流电机无位置控制方法中，反电势法应用最为广泛。其核心在于得到反电势过零信号，该信号与控制器相互配合实现无刷直流电机的无位置传感器控制。u当永磁无刷直流电机运转时，各相绕组反电势与转子位置密切相关。由于各相绕组交替导通，任意时刻总有一相绕组处于不导通状态，其反电势波形在该绕组端部是可以检测出来的，利用反电势波形的某些特点，可实现转子位置检测。反电势检
36、测方法主要有三种：过零法、锁相环法和积分法。u对于三相无刷直流电机，转子旋转时，定子相绕组反电势过零点(即相绕组反电势与三相中性点电位的交点)相对于转子磁极的空间位置是固定的，不随电机的转速而改变，通过检测过零点就可以确定转子磁极位置。实测反电势波形u当永磁无刷直流电机静止或者电机的转速较低时，绕组的反电势信号幅度较低，无法可靠检测转子位置，不能提供换相依据。因此，系统需要通过其它方法实现压缩机的平滑起动，常用的起动方法有：硬件电路起动法；三段式起动法和升频升压法。u基于专业芯片的无位置传感器无刷直流电机起动过程：ML4425（专用芯片）通过检测电机三相绕组的反电势来确定换向时刻。在起动过程中
37、，由于反电势很小很难检测到，无法实现自起动。因此，ML4425采用了“三段式”起动法，使电机按照他控式同步电机的运行方式从静止开始加速，直至转速升至能够产生足够大的反电势后，再切换至闭环自同步运行状态，实现电机起动。 永磁无刷直流电动机的转矩波动永磁无刷直流电动机的转矩波动u忽略工艺影响，永磁无刷直流电机的转矩波动主要包括齿槽引起的齿槽转矩，电流换向引起的转矩波动，电磁因素引起的转矩波动，电枢反应引起的转矩波动。u永磁无刷直流电动机对外所呈现的转矩脉动是齿槽转矩和纹波转矩之和。齿槽转矩与电机本体结构密切相关，通过调整磁钢的宽度，分数槽或采用定子斜槽、转子错极的方法可以充分抑制齿槽转矩。对于表面
38、安装式无刷直流电动机，电磁转矩纹波是主要的纹波转矩，它主要是由于电机的反电势波形和绕组电流波形偏离理想的激励波形而产生。对于方波形和正弦形无刷直流电动机来说，为了产生恒定的电磁转矩，两者所需的理想激励波形是不同的。两类永磁无刷直流电动机的理想反电动势和电流波形 目前常用的削弱齿槽转矩的方法目前常用的削弱齿槽转矩的方法:斜槽：削弱永磁电机齿槽转矩最常用的方法是定子斜槽或转子斜极，分数槽：对于较难采用斜槽或斜极措施的永磁电机，采用分数槽来减小齿槽转矩是一种较好的选择，由于定子槽数与极数之间不是整数关系，齿槽转矩的频率增加，幅值减小。磁极极弧系数和磁极分块移位：由于齿槽转矩是磁极的边缘部分与定子齿相
39、互作用产生，因此磁极的极弧系数对齿槽转矩的幅值有较大影响。其它方法：其它削弱齿槽转矩的方法包括减小定子槽口宽度和使用磁性槽楔等，定子槽口宽度的减小能够削弱齿槽转矩，却给绕组下线工艺带来困难，另外还使漏磁增加，最终影响电机出力。从削弱齿槽转矩和方便下线两方面考虑，使用磁性槽楔不失为一种较好的方法。+ ECM 电机电机u电子换向电机( ECM， Electrically Commutated Motor)，就是利用电子开关线路和位置传感器来代替传统的电刷和换向器，使之既具有直流电机的运行特性，又具有交流电机结构简单，运行可靠、维护方便等优点。按照电枢绕组感应电动势的波形，ECM可分为正弦波电动机和
40、方波电动机。 正弦波电动机又称为永磁同步电动机，其调速系统一般需要进行矢量变换和PWM 运算，控制较为复杂，系统成本相对较高。 方波电动机又称为无刷直流电动机，控制简单，成本较低，效率远远高于传统的交流电动机，其效率能达到85%左右，寿命长、可靠性高、噪声低等一系列优点。专用芯片控制的ECM电机框图uECM电机中的同步式具有功率密度高、转动惯量小、运行效率高等优点，广泛应用在家用电器、数控机床、伺服驱动等领域。u转子结构不同，则对应电机的运行特性、制造工艺和适用场合也会有区别。按照永磁体在转子中位置的不同，转子结构一般可分为表贴式和内嵌式两类。ECM电机转子示意图三菱公司生产的同步式ECM电机
41、GE生产的ECM电机 ECM电机的电磁干扰问题电机的电磁干扰问题为使设备或系统达到电磁兼容状态，通常应用印制电路板设计、屏蔽机箱、电源线滤波、信号线滤波、接地、电缆设计等技术。防止电子设备产生传导干扰和辐射干扰最好的方法，是采用金属机壳对电磁场进行屏蔽，以及对电源输入电路用变压器进行隔离，并且要对变压器也进行静电感应和磁感应屏蔽。但金属机壳比较笨重，并且成本很高。在塑料机壳内表面喷涂导电材料也是一种对电磁屏蔽很有效的方法，比如，在塑料机壳内表面喷涂石墨，对超高频电磁屏蔽效果就非常好，因为，石墨既导电又有电阻，是吸收电磁波的良好材料，它不容易对电磁波产生反射，并对电磁波产生衰减作用。任何直接穿透
42、屏蔽体的导线都会造成屏蔽体的失效，因此电源线上必须安装滤波器。uECM电机的主要电磁干扰源(1) 供电网络产生电磁干扰源(2) ECM电机控制器自身产生的干扰源u电磁干扰源的耦合途径uECM电机电磁干扰源的主要耦合途径：传导耦合、感应耦合、辐射耦合。u电缆上的干扰按照干扰电流的流动路径分为共模干扰电流和差模干扰电流两种。电源线输入端，插入共模和差模滤波器，防止开关电源的共模和差模干扰电流传导到电源线中，同时也可以抑制来自电网的干扰。u在ECM电机电源线和压缩机连接线上加吸收式滤波器，吸收式滤波器由有耗元件组成，其中铁氧体元件就是一种常用的有耗元件。它可以将高频干扰吸收后转化为热损耗，在减少EC
43、M电机额电磁干扰也是不错的方法。u在ECM电机的整流器和逆变器之间通过加有源滤波器，在减小ECM电机的电磁干扰问题上已经取得显著成效。电源线滤波器基本电路二、永磁同步电动机 永磁同步电机分类永磁同步电机分类 按照永磁体在转子上安装位置的不同，永磁同步电机的转子可以分为，表面式、内嵌式和内埋式。u效率高：在转子上嵌入永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行， 转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，提高了电机效率。u功率因数高：永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于1，减小了定子电流，提高了电机的效率。u起动转矩大：在需要大起动转矩的设备(如油田抽
44、油电机)中，可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的Y系列电机。 永磁同步电机优点永磁同步电机优点u力能指标好：Y系列电机在60%的负荷下工作时，效率下降15%，功率因数下降30%，力能指标下降40%；而永磁同步电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有20%负荷时，其力能指标仍为满负荷的80%以上。u温升低：转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，因而电机温升低。u体积小，重量轻，耗材少：同容量的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小30%左右。u可大气隙化，便于构成新型磁路。u电枢反应小，抗过载能力强。u定速装置 工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运
45、行时，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。u调速体统 在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中的大量应用。 u精密控制系统 高精度的伺服控制系统如自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统；在信息技术中，各种计算机外设和办公自动化设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中永磁同步电机也有广泛的应用。 应用领域应用领域电流控制主要应用在模拟控制，有快速的动态响应。电压控制是基于空间矢量PWM控制，能提高逆变器的电压输出能力，且开关频率固定，适合于数字控制。u控制方式电流控制电压控制 永磁同步电动机控制永磁同步电动机控制A P
46、MSM in a closed-loop speed and current control on a 1.1 kW 3000 rpm industrial motor仿真波形 常用驱动电动机综合特性比较常用驱动电动机综合特性比较性能机械特性过载能力可控性平稳性噪声电磁干扰维修性寿命体积效率成本交流异步电动机软小难较差较大小易长大低低有刷直流电动机硬大易较好大严重难短较小高较高永磁同步电动机(包括无刷直流电动机)硬大易好小小易长小高较高电机 存在的问题存在的问题u不可逆退磁问题 如果设计或使用不当，永磁同步电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在
47、剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能下降， 甚至无法使用。u 成本问题 铁氧体永磁同步电机由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了广泛应用。由于稀土永磁目前的价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。在设计时既需要根据具体使用场合和要求进行性能、价格的比较后取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化，以降低成本。u控制问题 永磁同步电机不需外界能量即可维持其磁场，但这也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。但是随着电力电子器件和控制技术的发展，大多数永磁同步电机在应用中可以不进行磁场控制而只进行电枢控制
48、。 发展趋势发展趋势u超高速电机 目前已制成(23) 104 r/min的电机， 如美国通用电气公司研制的150 kW、23000r/min的径向气隙型转子结构航空用稀土永磁发电机，外转子型用于电动车的712 kW、27 000 r/min的电机。目前正在研制每分钟几十万转的电机。u高转矩大功率电机 耐热、高磁性能钕铁硼永磁材料的开发成功将使其在大功率永磁同步电机中获得重要应用。运输业和工业中诸如电动汽车、混合(内燃机与电动机并用)动力汽车、列车、电梯、机床、机器人等， 对大功率电动机的需求正在增长。u微型化 由于钕铁硼永磁的最大磁能积很高，特别是能制成超薄型的永磁体，从而使过去难以制作的超微
49、型和低惯量电动机得以实现。目前已开发出直径几毫米以下的超小型电动机用作医疗微型机器、眼球手术用机器人手臂或管道检查用机器人等场合的驱动源。现已制成外径0.18 mm、长1.12 mm的世界上最小的永磁电动机。u高功能化 在高温、高真空度或空间狭小等特殊场合难以使用传统电机，而稀土永磁电机可以耐高温(指钐钴或高耐热性钕铁硼磁体)，体积小，正好满足这些特殊要求。宇航设备中的机械手、原子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机，需使用高温电动机和高真空电动机。已开发150W、3000r /min，工作在200300高温和13313 10- 6 Pa真空度环境下的三相四极永磁电动机，
50、直径105 mm、长145 mm，采用高温特性好的Sm2Co17永磁体。三、直线电机 一般电动机工作时都是旋转的但是一些机器要做直线运动这就需要增加把旋转运动变为直线运动的一套装置能不能直接运用直线运动的电机来驱动？几十年前人们就提出了这个问题现在已制成了直线运动的电动机，即直线电机。 u一、直线电机发展u二、直线电机的工作原理u三、直线电机的特点u四、直线电机的控制u五、直线电机的应用 1840年Wheatsone开始提出和制作了略具雏形的直线电机。直线电机经历了三个时期。u18401955年为探索实验时期年为探索实验时期 由于直线电机的成本和效率原因，这一时期始终未能得到真正的应用。u19
