永磁无刷直流电动机键合图课件.ppt

1、传统直流电机运行原理传统直流电机运行原理l传统直流电机基本机构l传统直流电机工作原理l传统直流电机的优缺点传统直流电机基本结构国产直流电机的结构装配图和结构剖面图 传统直流电机基本结构 o 旋转电机都是由定子和转子两大部分组成，每一部分也都由电磁部分和机械部分组成，以便满足电磁作用的条件。o 定子部分由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。o 转子部分，又称电枢。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。定子部分 主磁极主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极

2、铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。电刷装置电刷装置电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成。机座机座 机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。转子部分 电枢绕组电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，它是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。电枢铁心电枢铁心 电枢铁心既是主磁路的组成部分，

3、又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。换向器换向器在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。传统直流电机物理模型传统直流电机工作原理 直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可

4、由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。工作原理小结o 将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。o 电机内部有磁场存在。o 载流的转子导体将受到电磁力 f 的作用

5、 f=BlV（左手定则）。o 所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负载。传统直流电机优缺点：o 优点：调速和启动特性好，堵转转矩大，广 泛应用于驱动装置和伺服系统中。o 缺点：直流电机有电刷和换向器，期间形成 的滑动机械接触严重地影响了电机的 精度、性能和可靠性，所产生的火花 会引起无线电干扰，缩短电机寿命。换向器电刷装置使其结构复杂、噪音 大、维护困难。永磁无刷直流电动机综述永磁无刷直流电动机综述l永磁无刷直流电动机介绍l永磁无刷直流电动机特点l稀土永磁材料介绍永磁无刷直流电机介绍 永磁无刷直流电机是近年来迅速发展起来的一项新技术、新产品，它集有刷直流电机和

6、交流异步变频调速电机优点于一身，并很好地克服了上述两种电机的不足之处，起动转矩大、调速方便、运转平稳、噪音低、工作可靠，是理想的节能、降噪的环保型产品，在各个领域内得到了广泛的应用。尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。永磁无刷直流电机特点o 永磁无刷直流电机作为一个系统，它的发展涉及到电机本体的设计技术、稀土永磁材料技术、电力电子技术、计算机控制技术、检测技术等一系列新技术。o 永磁无刷直流电机也被成为矩形波永磁无刷电动机，其最大特点是是没有换向器和电刷组成的机械接触结构。它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这

7、样热阻较小，散热容易。因此，无刷直流电机没有换向火花，不产生无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护简便。稀土永磁材料介绍 通常的稀土永磁材料包括稀土钴永磁和稀土钕铁硼永磁，二者都是高剩磁、高矫顽力、高磁能积的永磁材料:这两种稀土永磁材料在无刷电机的设计制造中得到了广泛的应用。稀土钴永磁 稀土钴永磁材料磁性能优良，其特点是剩余磁感应强度、磁感应矫顽力和最大磁能积都很高。1:5型永磁体的最大磁能积现已超过199 ;2:17型永磁体的最大磁能积现已达258.6 ，剩余磁感应强度一般高达 ，接近铝镍钻永磁水平，磁感应矫顽力可达 ，大约是铁氧体永磁的3倍。稀土钻永磁的退磁曲线基本上是一条直线，回复线基本上与

8、退磁曲线重合，抗去磁能力强。另外稀土钴永磁材料的温度系数比铁氧体永磁材料低，通常为 左右，并且居里温度较高，一般为 度。因此这种稀土永磁材料的磁稳定性最好，适合用来制造高性能的永磁电机，缺点是稀土钴目前的价格还比较昂贵，致使电机造价较高。3/KJm3/KJ m0.851.15T480800/kA m0.03%K710 800钕铁硼稀土永磁 钕铁硼稀土永磁材料的磁性能更为优良，高于稀土钴永磁。室温下剩余磁感应强度现可高达1.47T，磁感应矫顽力H可达992kA/m，最大磁能积高达397.9kJ/m3，是目前磁性能最高的永磁材料。由于钕在稀土中的含量是钐的十几倍，资源丰富，铁、硼的价格便宜，又不含

9、战略物资钴，因此钕铁硼永磁的价格比稀土钴永磁便宜得多，问世以来，在工业和民用的永磁电机中迅速得到推广应用。永磁无刷直流电机基本结构永磁无刷直流电机基本结构l电动机本体l控制器l位置传感器永磁无刷直流电机基本结构永磁无刷直流电机基本结构电动机本体 永磁无刷直流电动机转子结构类似于传统永磁直流电动机，固定在转子磁扼上的由钕铁硼制成的永磁体磁钢形成永磁体的磁极，其气息磁场一般呈方波或梯形波分布。根据转子在电机结构中所处的位置，可分为外转子、内转子以及盘式电机等几种类型。其定子绕组结构类似于三相交流电动机的整距绕组，三相绕组在空间以120的电角度均匀分布。位置传感器o 电磁式：它输出电压较大，一般不需

10、要经过放大器便 可直接用来控制晶体管导通，但因输出电压是 交流，必须先作整流。o 光电式：它产生的信号一般都比较弱，需要经过放大才 去控制功率晶体管，但它输出的是直流电信号 不必进行整流。o 霍尔元件：霍尔无刷直流电动机结构简单，体积小，但 安置和定位不便，元件片薄易碎，对环境及 工作温度有一定要求，耐震差。控制器 无刷直流电动机大都通过固定在定子上的三个位置传感器检测转子磁极位置。所检测到的转子三个位置的信息经控制电路处理、放大后，按一定顺序驱动三相桥式变流器中开关器件的通断，使得无刷直流电动机的三相定子绕组产生跳变的旋转磁场。该旋转磁场的平均速率与转子永磁体的转速同步，确保了有效电磁转矩的

11、产生，转子得以连续运行。永磁无刷直流电机运行原理o 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。o 无刷直流电机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电1/3的时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用。所以一般采用三相全

12、控式电路。三相全控桥两两通电电路 在该电路中，电动机的绕组为Y联结。T1、T2T6为六个功率器件，起绕组的开关作用。同时我们采用两两导通方式，所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120电角度。各功率管的导通顺序T1T2 T2T3 T3T4 T4T5 T5T6 T6T1 T1T2。当功率管T1T2导通时，电流从T1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2管回到电源。开关顺序及旋转磁场示意图 图（a）为T1与T6导通时的情况，由于T1与T6持续导通有一段时间，流经A、B相绕组的电流也将持续一段时间，那么如图（a）所示的

13、电枢磁势Fa的方向和幅值也将有一段时间内保持不变。但是转子是连续旋转的，转子励磁磁势F0也将随之连续旋转，它由起初是F01所在的位置逐渐转到F02所在的位置。而当转子转到F02的位置时，由于T6已导通120电角度，T6和T2在控制信号的作用下要进行换流，由原来的T6与T1导通变换为T1与T2导通，见图（b）。此时，电枢磁势从图（a）的位置跳跃式地步进60电角度，电枢磁势Fa和励磁磁势F0之间的相位差又恢复到120电角度，和图（a）所示的T1管开始导通时的情况相同。如此重复进行，每当磁极转动，通过位置传感器、控制电路、驱动电路使相应的功率管导通、切断，从而对电机电枢（定子）进行一次绕组切换来改变

14、电枢磁场，使稳定运转，其平均值相当于处在正交运行状态，这样在同样的电枢电流下可使转矩最大。依靠这种旋转电枢磁场和励磁磁场的相互作用，使得电机能够连续地旋转。值得注意的是磁极每转动电角度，电流从一相转移到另一相，则电枢磁场就在空间上跃进电角度，所以在无刷直流电机中的磁场是一种步进式旋转磁场。永磁无刷直流电机键合图建模永磁无刷直流电机键合图建模l物理模型l键合图模型l数学模型物理模型 根据电机的物理特性和实际运行特性，定子部分(电枢绕组)可简化为电阻(Ra、Rb、Rc)、电感(L-M)和反电动势(ea、eb、ec)3部分,其中电感部分根据电机结构对称性,可以把其等效为自感与互感之差L-M;转子部分

15、(永磁体)经过电磁力矩转换,输出转速()和力矩(T),其中包含摩擦阻力和转动惯量2个物理量。最后，永磁无刷直流电机模型如左图所示。键合图模型 过程分析 三相的输入电压分别用可变势源MSea、MSeb和MSec表示;绕组的电阻用阻性元件R表示;绕组电感为自感与互感之差(L-M),用感性元件I表示;由电到机械的转换部分用回转器GY表示;机械转动部分所受摩擦阻力也用阻性元件R表示;转动惯量用感性元件I表示;负载转矩用可变势源MSe-TL表示。从上图的永磁无刷直流电机的简化模型中可以看出,电路部分的电流是相等的,用等流节点“1节点”把电源MSe、电阻R、电感I和回转器GY连接起来。机械部分各元件都具有

16、相同的角速度,也用“1节点”将阻力R、转动惯量I和负载MSe-TL连接起来,最后得到一个完整的电机键合图模型。符号意义 数学模型 3813PPP、系统的状态变量只能是独立储能元件的能量变量。从因果关系出发,每个I元件的p变量和每个C元件的q变量都是能量变量。在无刷电机键合图模型中,4个I元件均为独立储能元件,也就有4个能量变量,分别为 (磁通量)和 （转动惯量）。它们的导数 和 分别是键3、键8、键1和键18的势,相当于e3、e8、e13和e18,是状态变量。根据1节点各键流相等、势和为零的原则和因果关系,可以写出如下关系方程:1 8P3813PPP、18P数学模型符号意义状态方程输出方程 电机最终输出的是转速和转矩，因此整个系统输出的量自然为转速和电磁转矩。根据电机的物理意义和上述定义的各符号的实际意义得到如下两个输出方程:1818mPwJ.1617181818fLLmRTTTTPPTJ