无刷直流电机

1、无刷直流电机1永磁无刷直流电动机的工作原理有刷直流电动机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。无刷直流电机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩且转矩只与电枢电流的大小有关。无刷直流电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同

2、一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使无刷直流电机运转起来。由无刷直流电动机的组成来看，它实际上是一个由电动机本体、电子开关线路及转子磁钢位置传感器组成的闭环系统。电动机本体有星形连接方式和角形连接方式，电子开关线路的逆变器可采用半桥电路或全桥电路，因此，不同的选择会使电动机产生不同的性能并且成本也不同。下面对此作一个对比。绕组利用率与普通直流电动机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组通电利用率可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，定子绕组三相比四相好，四相比五相好，电子开关线路逆变器采用全桥控制比半桥控制好。转矩的波动无刷直流电

3、动机的输出转矩脉动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转矩脉动。一般相数越多，转矩的脉动越小。全桥驱动比半桥驱动转矩的脉动小。电路成本相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高。全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。综合上述分析，目前以三相星形全桥驱动方式应用最多。以下就以三相星形全桥驱动的无刷直流电动机为例，用图2-2分析其工作原理。对于图2-2所示的三相星形全控桥式电路来说，其导通方式可分为二二导通方式和三三导通方式两种。关断相是两两导通方式所特有的。三三导通方式是三相同时导通，逆变器每一桥臂总有一个功率管导通，不存在关断相。所谓二二导通

4、方式是指每一瞬间只有两个功率管导通，每隔60换相一次，每次换相一个功率管，桥臂之间左右换相，每个功率管导通120。各功率管的导通顺序是VT1VT2VT2VT3VT3VT4VT4VT5VT5VT6VT6VT1VT1VT-。当功率管VT1和VT2导通时，电流从VT1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VT2管回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出的电流所产生的转矩为负，它们合成的转矩Tac大小为ac3T，方向在T和-T的角平分线上。当电动机转过60后，由VT1VT2通电换aac成VT2VT3通电。这时，电流从VT3流入B相绕组再从C相绕组流出，经过VT2回到电源，此时合成

5、转矩厶大小同样为3T,但合成转矩Tb的方向转过bcabc了60电角度。而后每换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过60电角度，但大小始终保持3T不变。图2-3给出了全部合成转矩的方向。a所以，同样一台直流无刷电动机（指本体而言），每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星形全控电路，在两两通电的情况下，其合成转矩增加了3图2-3星形连接绕组两两通电时的合成转矩矢量图Fig.2-3倍。每隔60电角度换相一次，每个功率管导通120，每个绕组通电240，其中正向通电和反向通电各120，我们把无刷直流电机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。三三

6、导通方式是指每一瞬间均有三个功率管同时导通，每隔60电角度换相一次，每次换相一个功率管，一个桥臂上下管之间换相，每个功率管导通180电角度，各功率管的导通顺序为VT1VT2VT3VT2VT3VT4VT3VT4VT5VT4VT5VTVT5VTVTVTVTVTVT1VT2VT3。当VTVTVT导通时，电流从VT管流入A相绕组，经B相和C相绕组的电流分别为流过A相绕组电流的一半，其合成转矩方向同A相，而大小为1.5T。经过60。电角度a后,换相到VT1VT2VT3通电，即先关断VT而后导通VT3（注意，一定要先关断VT而后导通VT3,否则就会出现VT和VT3同时通电，则电源被VT3VT短路，这是绝对

7、不允许的）。这时电流分别从VT1和VT3流入，经A相和B相绕组（相当于A相和B相绕组并联），再流入C相绕组，经VT2流出，合成转矩方向与-C相同，转过了60电角度，大小仍然是1.5T。再经过60电角度后。a换相到VT2VT3VT4通电，而后依次类推，它们的合成转矩矢量图如图2-4所示。两种导通方式对电流与反电势的相位对应关系均有严格要求，两两导通方式中，在反电势处于梯形平顶阶段时令该相保持导通，电流为理想矩形波时，可保证输入功率恒定，不存在转矩脉动。三三导通方式中，反电势过零点就是换相时刻，在某相的反电势为正时触发导通该相使其绕组上流过正向电流，在反电势为负时触发导通该相使其绕组上流过负向电流

8、。两种导通方式都存在换相转矩脉动，两两导通方图2-4三三导通时的合成转矩矢量图Fig.2-4式在换相时刻，导通相的反电势已经达到幅值，而三三导通方式在换相时刻，导通相的反电势为零，所以，三三导通方式的换相转矩脉动更加明显。但三三导通方式每相共导通360，两两导通方式每相共导通240。无刷直流电动机反电动势当转子旋转速度为恒值时，无刷直流电动机的定子每相绕组反电动势波形与磁通密度分布波形应该一致，为了简化分析，可将它近似为梯形波。为了减小转矩脉动，反电动势波形的平顶宽度应大于等于120电角度。通常把相反电动势看成平顶宽为120电角度的梯形波。无刷直流电机定子采用集中绕组方式，以获得良好的梯形波反

9、电动势形状定子每相绕组反电动势在兀区间内的函数表达式见式(2-1)：K2t,eK,K2t,eee=K2t,+6K,eeK，eKat一12K,10w10wt615Wt665w766711Wt661Wt2(2-1)式中K电动势系数e电机的电角速度上式是在理想情况下确定的，其他两相在相位上依次相差2兀3电角度。在某一固定转速下按时间轴建立的无刷直流电机三相反电动势波形，如图2-5所示。图2-5无刷直流电动机的三相反电动势波形Fig.2-5无刷直流电动机的调速直流电动机转速的表达式见式(2-2)。U-IRnK,(2-2)式中U电枢端电压I电枢电流R电枢电路总电阻每极磁通量K电动机结构参数因此可知，直流

10、电动机的调速方法有三种：调节电枢供电电压U，改变电机的主磁通改变电枢回路电阻R。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往和调压调速配合使用，在额定转速以上做小范围的升速。通常，无刷直流电机是通过调节输入电机的直流平均电压达到调节转速的目的。调节方式有两种一种为PAM(PulseAmplitudeMede)脉冲幅值调制方式，另一种为PWM(PulseWidthMode)脉宽调制方式。在PAM方式中，直流母线电压Us可调，逆变器功率开关器件只负责电机换相控制，通过调节直流母线电压认的大小调节电机转速

11、。在PWM方式中，直流母线电压认不可调，逆变器功率开关器件不但负责无刷直流电机的换相控制，而且通过斩波调节电机输入电压的平均值，从而达到调节转速的目的36,37。无刷直流电动机的转矩脉动问题无刷直流电动机结构简单、运行可靠、维护方便，运行效率高，但运行中存在的转矩脉动问题，影响了它在精确的位置控制和高性能的速度控制领域的发展。造成无刷直流电动机转矩脉动的原因很多，归结为以下几点：电磁因素在理想情况下，即当电枢为集中绕组结构，转子磁密在空间分布为180的方波，电动势波形具有大于等于120电角度的平顶时，无刷直流电动机的转矩与转子位置无关。但实际电机不能做到极弧系数为1，且常常采用分布绕组，因此会

12、引起转矩脉动。换相由于电枢绕组电感的影响，换相时存在电流延迟，从而引起转矩脉动。采用重叠换相控制可以抑制换相引起的转矩脉动。定子齿槽由于定子齿槽的存在，转子旋转时气隙磁阻发生变化，从而引起转矩脉动。减少齿槽转矩脉动最常用的措施是采用定子斜槽或转子斜极，也可以通过增大气隙或采用分数槽绕组来减少齿槽转矩脉动，采用无槽电机则可完全消除齿槽转矩脉动。电枢反应电枢反应对转矩脉动的影响主要反应在以下两个方面：一方面电枢反应引起气隙磁场畸变，导致转矩脉动；另一方面，在任一磁状态内，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用而产生的电磁转矩因转子位置的不同而发生变化。为减小电枢反应对因气隙磁场畸变

13、而产生的转矩脉动影响，电机应选择径向充磁的瓦形或环形永磁体结构或适当增大气隙。机械工艺机械加工和材料的不一致也是引起转矩麦东国的重要原因之一。如工艺误差造成的单边磁拉力、摩擦转矩不均匀、转子位置传感器的定位不准确、绕组各相电阻和电感等参数不对称、各永磁体性能不一致等。提高机械制造的工艺水平是减小转矩脉动的重要因素。由于无刷直流电动机具有一系列的优点，更适合于高性能的伺服系统，但如何在较宽的调速范围内减小转矩脉动一直是伺服系统研究的主要问题。在最近的二十年里，国内外有大量的文献研究这个课题，从总体上来看，这些转矩脉动抑制技术可以分为两大类:一类是从电机本体设计入手，采用斜槽、分数槽、虚拟齿和虚拟槽、无槽电机等，可以削弱齿槽引起的转矩脉动；采用高性能的稀土永磁材料、转子采用瓦片形表面贴装型式等，可以削弱气隙主磁场的气隙磁感