无刷直流电动机课件

1、直流伺服电动机工作原理，换向器和电刷的作用？（P35）2、交流同步伺服电动机工作原理（P54）直流伺服电机交流伺服电机第7章无刷直流电动机

BrushlessDCMotors(BLDCMs)57.1无刷直流电动机系统7.1.1概述及基本组成无刷直流电机构成框图6无刷直流电动机结构

(a)结构示意图

(b)定转子实际结构

1.电动机本体

7表面式磁极

嵌入式磁极

环形磁极

内转子结构形式

92.逆变器作用：控制电机定子各相绕组通电顺序和时间。分类：半桥式（半控）

桥式（全控）102.逆变器b)四相半桥主电路

a)三相半桥主电路1)非桥式（半桥式）——半控型112.逆变器2)桥式——全控型c)星形联结三相桥式主电路13主电路选择原则绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小电路成本：相数越多，电路成本越高星形联接三相桥式主电路应用最多3.位置传感器位置传感器：实时检测转子位置153.位置传感器位置传感器有位置传感器检测无位置传感器检测磁敏式光电式电磁式接近开关式正余弦变压器编码器反电动势检测续流二极管工作状态检测定子三次谐波检测瞬时电压方程法17逆变器、位置传感器与控制器控制器：无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心

位置传感器：实时检测转子位置逆变器：控制电机定子各相绕组通电顺序和时间三者共同组成换相装置，起到电子换向器作用18永磁无刷直流

电机系统图控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。7.1.2基本工作原理

19工作原理磁极图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V6开通→A、B相导通→I:E+-A-B-E-→电机顺时针旋转磁极转过60o图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V2开通→A、C相导通→I:E+-A-C-E-→电机顺时针旋转转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转——自同步电机21无刷直流电动机回顾1、系统组成及各部分作用

2、简述工作原理227.2无刷直流电动机的主电路及其工作方式

无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相桥式三种形式。7.2.1星形连接三相半桥主电路

23在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如图所示。

旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。25传感器：H1=1H2=0H3=0导通相：B26传感器：H1=1H2=1H3=0导通相：C29传感器：H1=0H2=0H3=1导通相：A30传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B317.2.2星形连接三相桥式主电路

位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。321.二二导通方式

电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：

式中

Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势；

ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；

——转子的机械角速度。

可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。每一瞬间只有两个功率管导通33工作原理磁极图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V6开通→A、B相导通→I:E+-A-B-E-→电机顺时针旋转磁极转过60o图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V2开通→A、C相导通→I:E+-A-C-E-→电机顺时针旋转转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转——自同步电机34两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表35三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律

2.三三导通方式

每一瞬间有三个功率管同时导通372.三三导通方式

三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律

387.3无刷直流电动机的电枢反应电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。

电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大去磁作用

39如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大增磁作用。

可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/2磁状态时既不去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁动势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为40式中

F

——每相绕组的磁动势；

W——每相绕组的串联匝数；

Kw——绕组系数。

由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发生永久失磁，在设计时必须予以注意。

417-4无刷直流电动机基本公式与数学模型无刷直流电机的磁场、电势、电流波形方波电动机——梯形波反电势与方波电流427.4.1无刷直流电动机的数学模型

假设

(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波)分布；(2)定子齿槽的影响忽略不计；(3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；(4)忽略电机中的磁滞和涡流损耗；(5)三相绕组完全对称。

直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型

43三相绕组的电压平衡方程为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44当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib所以得电压方程：45无刷直流电动机的等效电路如图所示

467.4.2无刷直流电动机的反电动势

无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示

47设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则单根导体在气隙磁场中感应的电动势为

(V)(m/s)如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动势幅值为

487.4.3无刷直流电动机稳态性能的动态模拟

依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为续流结束后，换相完成，电路方程变为：

以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型

497.4.4无刷直流电动机稳态性能的简化分析

为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感。这样，无刷直流电动机的电压方程可以简化为：

式中

UT——开关器件的管压降；

Ia——电枢电流；

E——线电动势，即电机的反电动势。

50对于三相六状态无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为

式中

Ce

——电机的电动势常数，

电枢绕组的电流为

在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生，则

51电机的转速为

空载转速为电动势系数为转矩系数为527-5无刷直流电动机的运行特性7.5.1机械特性机械特性曲线

堵转转矩为

53调节特性7.5.2调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为547-6无刷直流电动机转子位置信号的检测7.6.1转子位置传感器磁敏式位置传感器

——霍尔元件电磁式位置信感器

——高频线圈光电式位置信感器

——光耦合器件55置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础，是一种磁传感器。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件。56HallIC霍尔元件磁电转换HallIC霍尔元件功能方框图57HallIC安装方式第一种方式：将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。第二种方式：直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的稀土磁体主极作为传感器的水滋体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。58HallIC安装示意图1、三个霍尔元件在空间依次相差120o电角度2、传感器磁极与转子磁极同轴旋转、极数相等、极性相对应59电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成，转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成定、转子磁芯均由高频导磁材料(如软磁铁氧体)制成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦台，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。60优点1：电磁式传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。优点2：电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压是交流，必须先整流。缺点：传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。61(a)光电传感器电路原理图

(b)4极电机所用的遮光盘

对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，三个光电开关在空间依次相差120电角度，光电开关与电枢绕组的相对位置以及遮光盘与转子磁极的相对位置类似于霍尔位置传感器。

光电式位置传感器是由装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电开关组成的，其原理如图

(a)所示。遮光盘上开有180°电角度的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数，4极电机所用遮光盘如图

(b)所示；光电开关通常采用将发光二极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。

控制电机总结步进电机自整角机测速发电机直流

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交流无刷直流电动机大作业要求题目：控制电机分析内容：1、概述2、结构、工作原理3、运行方式（控制方式）4、应用举例页数要求：至少8页（A4）格式要求：1、封皮2、目录3、正文4、参考文献目录标题“目录”（三号、黑体、居中）章标题（四号、黑体、居左）节标题（小四、宋体）页码（小四、宋体）正文章标题（三号、黑体、居中）节标题（四号、黑体、居左）正文（小四号、宋体）

电枢绕组在磁场中转动产生感应电势，经换向器变换后，输出与转速成正比的直流电压。工作原理1直流测速发电机

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