1、 永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-191一、问题的提出 直流电动机虽然具有优良的调速和起动特性，但由于存在电刷和换向器，需要经常性维护，并且会产生火花和电磁干扰，限制了它的应用范围。近年发展起来的无刷直流电动机就是为了克服换向器和电刷的滑动接触而发展起来的新型直流电动机。二、无刷直流电动机的工作原理7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-192有刷直流电动机工作原理有刷直流电动机工作原理磁极静止，电枢旋转f=IBla，这个力形成
2、电磁转矩根据左手定则，线圈在这个转矩作用下将按逆时针方向旋转当载流导体转过180度后，借助电刷-换向片改变导体中电流方向7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-193无刷直流电动机原理无刷直流电动机原理电枢静止，磁极旋转，且磁极为永久磁铁。电枢绕组中电流的换向是借助于转子位置传感器和电子开关线路来实现的，所以，无刷直流电动机一般都是由电动机、位置传感器和电子开关线路三部分组成。无刷直流电动机原理图7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-194永磁无刷直流电动机的原理框
3、图直流电源电子开关电动机位置传感器 输出7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-195电动机本体7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系21(a)永磁转子结构型式(a)表面贴装式；(b)内嵌式.1磁钢；2铁心 2 21 1(b)2022-11-196逆变器结构星形三相三状态星形三相六状态7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系星形四相四状态封闭三相六状态2022-11-197 正交两相四状态封闭四相四状态7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流
4、电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-198转子位置传感器(1)磁敏式位置传感器霍尔元件7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-199转子位置传感器(1)磁敏式位置传感器功放霍尔元件放大输出CCUOUoU(V)B(T)RPBOPB0123HB关开外形电路原理开关特性霍尔集成电路7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1910(2)电磁式位置传感器输出信号1D1RP1V2R2V0U(3)光电式位置传感器7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电
5、机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1911一相导通星形三相三状态1）H1受光，V1导通，A相流过电流，产生磁势Fa。电流路径：电源正极A相绕组V1管电源负极。2）电机顺时针转过120度后，H1被遮光，H2受光，V1关断，V2导通，B相绕组通入电流，产生磁势Fb。3）再转过120度，C相导通。7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1912A相导通B相导通C相导通 转子每转过120度，功率管换流一次，定子磁场状态就改变一次，电机有三个磁状态。每个功率管导通120度（1/3周期）。磁场为跳跃式步进磁
6、场。因此，所产生的电磁转矩为脉动转矩。减小转矩脉动的方法是增加一周内的磁状态数，如二相导通六状态。7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1913二相导通星形六状态控 制 电 路AiBiCi 转子位置传感器永磁电机1V1D5V3V4V6V2V4D6D2D3D5D1H2H3HABCXYZSU7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1914 定子合成磁场仍为跳跃式旋转，步进为60度，即1/6周期。每转60度，逆变器开关管换流一次，有六个状态。每个功率管（每相绕组）导通12
7、0度。V1V6导通V1V2导通7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1915三相六状态绕组与开关管导通顺序表7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1916三、运行特性三、运行特性1.基本方程基本方程 永磁无刷直流电动机的基本物理量有：反电势、电枢电流、电磁转矩、转速等。它们的表达式与电机气隙磁场分布、绕组形式密切相关。永磁无刷直流电动机有正弦波和方波之分。7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-191
8、7电枢绕组感应电势电枢绕组感应电势单根导体在气隙磁场中感应电势单根导体在气隙磁场中感应电势e=BLv)/(60260smnpnDv 如电枢绕组每相串联匝数为如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组，则每相绕组的感应电势为的感应电势为华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系又因为又因为所以：所以：华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系对于三相六状态电机，线电压为：对于三相六状态电机，线电压为：无刷直流电机电动势公式与直流电机相似无刷直流电机电动势公式与直流电机相似华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系电枢电枢电流电流电压平衡方程式：电压平衡方程式：电源电压开
9、关管的饱和管开关管的饱和管压降压降电阻压降电枢电流为：电枢电流为：华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系电磁电磁转矩转矩华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系所以：Tem=CTIa华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系三相三相永磁无刷直流电动机数学模型永磁无刷直流电动机数学模型定子相绕组电压定子相绕组电流定子相绕组自感、互感定子相绕组电动势微分算子华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系华中科技大
10、学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2.机械特性机械特性eTeaeTCCrCUUn2227.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系机械特性曲线 调节特性曲线 2022-11-1927四、控制方法四、控制方法1.有位置传感器控制 转子位置传感器替代了电刷，电子换向电路替代了机械式换向器。因此，电子控制系统是永磁无刷直流电机不可缺少的组成部分。换向 信号 逻辑 变换 电路 转子位置 译码电路功率开关电路 保 护 电 路 控 制 电 路控制电路部分 控制指令 电子换向电路部分转子位置传感器永磁电机本体电动机部分7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华
11、中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-19287.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系单片机控制永磁无刷直流电动机原理图 2022-11-19291.速度控制 通过脉宽调制（PWM）方法改变电压大小实现速度调节。2.正、反转控制有刷电机：改变励磁磁场的极性或电枢电压的极性。无刷电机：原理相同，但因功率管的单向导电性，不能靠简单地改变电源电压极性使电机反转，而是通过改变绕组的通电顺序来改变电机转向。ZAXBYCnNS7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1
12、930A.有两套位置传感器要改变绕组的通电顺序，就要切换位置传感器的输出信号。(a)顺时针方向旋转(b)逆时针方向旋转7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1931顺时针方向旋转时，Wa,Wb,Wc输出信号；逆时针方向旋转时，Wa,Wb,Wc输出信号。正反转控制逻辑图7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1932B.一套位置传感器正：A相导通反：C相导通正：C相导通反：B相导通正：B相导通反：A相导通7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华
13、中科技大学电气学院电机系1H1H1H2H2H2H3H3H3H2022-11-1933二相导通方式传感器信号与功率管开关导通逻辑关系二相导通方式传感器信号与功率管开关导通逻辑关系正转反转H1H2H3导通管H1H2H3导通管101V1V2101V4V5100V2V3001V3V4110V3V4011V2V3010V4V5010V1V2011V5V6110V6V1001V6V1100V5V67.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-19342.无位置传感器控制无位置传感器控制 无位置传感器控制是指无机械式位置传感器，即不在无刷直流电动机的定子上直接安装位置传感器来检测转子位置,而是通过一个检测电路，从硬件和软件两方面来间接获取转子位置信号。检测得到转子位置信号以后的控制方法，与有位置感器控制方法相同。7.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机华中科技大学电气学院电机系华中科技大学电气学院电机系2022-11-1935
