无刷直流电动机_浙大

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电机设计原理
——无刷直流电动机
无刷直流电动机的工作原理
无刷直流电动机的设计规范
无刷直流电动机的工作原理
同步电机的变频调速 无刷直流电机的结构 无刷直流电机的数学模型
无刷直流电机的控制
同步电动机变频调速 同步电机的变频调速—重要性
1．是交流电机调速控制的另一个重要方面，应用广泛。 包括：
说明转矩变化必须要经滑差
s 、转子速度 n 的改变来实
现，故转矩响应受转子机械时间常数影响而滞后
同步电动机变频调速 同步电机的变频调速
3．同步电机有励磁源，可低频、低速运行
异步电机转子电流靠感应（切割），很低运行频率下不易
感应出大电流来产生足够大转矩，难低频运行 4．同步电机通过调节励磁可调节无功、改变 cos ，并可
电磁转矩反而减少；当 180 ，将产生制动转矩。最终
使电磁转矩周期性大幅振荡，转速大幅波动——“失步”
T
驱动
0
1800
制动
3600
900

无刷直流电机的数学模型
如何确保稳定性（防止失步）？ 控制功角d －－根据空载电动势矢量 E 来确定外施电压矢量 U。
根据转子位置来确定外施电压矢量U，获得最佳的d 来取得最大的电磁转矩。需要检测转子位置。 不能采用电网电源供电，而是要用可控电源（逆变 器）来供电。
f(θ)代表磁链随转角的 变化波形，即磁链的 波形函数。
as ar bs br cs cr
无刷直流电机的数学模型
• 在a-b-c原坐标下BLDC的电压方程式：
u a u b u c a ia p b Rs ib c ic M ab Lbb M cb
uq p q d Rs iq Ld id Em Rs iq U m cosd
恒值
BLDC的变量因为不是正弦的，所以模型并非如此简单。
无刷直流电机的数学模型
在a-b-c原坐标下考察BLDC的稳态运行情况：
回顾－－凸极同步电 动机在a-b-c坐标下的 模型：
a Laa M b ba c M ca f M fa D M Da Q M Qa M ab Lbb M cb M fb M Db M Qb M ac M bc Lcc M fc M Dc M Qc M af M bf M cf L ff M Df 0 M aD M bD M cD M fD LDD 0 M aQ ia M bQ ib M cQ ic 0 i f 0 iD LQQ iQ
运行在 cos 1 状态下。此时定子电流最小、损耗最小。
异步电机需感性无功，运行 cos 低
同步电机变频调速控制方式（类型） 同步电机的变频调速控制方式
1．他控式同步电机变频调速系统
（1）运行频率由外界（人为）设定——“他控” （2）有失步现象。负载过大时， s 、 r 间张角 90 后，
①小功率永磁无刷直流电动机 ②千瓦级永磁同步电动机 ③MW（兆瓦）级大型轧钢机、窑炉鼓风机用同步电动机
④MW级变速恒频永磁同步风力发电机
2．分电励磁型及永磁型同步电动机两种型式 3．分他控式及自控式变频调速方式
同步电动机变频调速 同步电机的变频调速的优势
（与异步电机比） 1．转速严格为同步速，n n1 60 f1 P 精确控制定子供 电频率即可准确控制转速，故 ●无需转速反馈，稳频即稳速 ●可多台电机协同调速
f '( )
Laa p M ba M ca
d dt
f '( ) M ac ia ia i f ' i M bc b m ( 2 / 3) Rs b f '( 2 / 3) ic Lcc ic
t s r


转子磁极与定子绕组轴线的空间位置关系 由转子位置检测器来感知
900
r

永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
3．转子位置检测器 （1）作用：感知转子磁极与定子绕组间的空间位置关 系，产生原始位置信号，经逻辑处理，形成功率电子开关 元件的触发信号 （2）类型： ①电磁式：有开口变压；铁磁谐振电路；接近开关
a Laa M b ba c M ca
M ab Lbb M cb
f ( ) M ac ia i f M bc b m ( 2 / 3) f ( 2 / 3) Lcc ic
2．转矩响应快，抗负载扰动能力强
同步电动机变频调速 同步电机的变频调速
（1）同步电机（隐极式）
T Ct s r Ct s r sin
s , r




s
1
S

1
r
N

当 s 、 r 大小、转速不变时，T sin 即不必改变转
BLDC，PMSM是一种自控式、永磁励磁的同步电动机
自控式同步电机变频调速系统 同步电机的变频调速
2．自控式同步电机变频调速系统
（1）运行频率由转子速度控制，与外界无关——“自控”
（2）转子每转过一对极，控制变频器输出电量变化一周 期，使定子磁场转速永远与转子速度同步，无失步现象
（3）自控式变频调速系统采用“转子位置检测器”检测
（3）作用：在一定的时刻、给一定的绕组、通一定时间长
短的直流电流—— 120 脉冲直流，和永磁磁场作用产生所
需大小，方向的电磁转矩 ☆各相绕组通电顺序、通电时刻、通电时间长短取决于转子
磁极和定子绕组轴线的空间相对位置，以使通电时产生的定
子磁通（势）矢量 s 与转子磁通（势）矢量 r 在空间保持 “平均”垂直的位置关系，以获得“平均”最大的转矩。 s T C | | | | sin
永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
☆要求永磁无刷直流电动机应有 ●永磁同步电机本体 ●代替机械式逆变器（换向器）的功率电子开关
●代替电刷的转子位置检测器
1．电机本体——永磁同步电动机
永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
（1）定子绕组
■多为三相、Y接绕组
■可做成四、五、十、十二、十八相等多相绕组，以 ●减少转矩脉动
转子磁极的空间位置及变化，使定子旋转磁场速度与转子 速度是“闭环”关系
永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
一、基本构成
●永磁同步电机+转子位置检测器+功率电子开关（逆变器）
●基本结构模拟了有刷（永磁）直流电动机
注意：BLDC的气隙磁场、空载电动势、电压、电流 等并不一定是正弦的，所以不能用“相量”来表示。
m Em
f '( ) ke( )
ke(θ)代表空载电动势（通常称反电势）随转角的变化波 形，即反电势的波形函数。
无刷直流电机的数学模型
• 在a-b-c原坐标下BLDC的电磁功率方程式：
0 0 0 0 RD 0 0 0 0 R abc 0 0 0 RQ
0 R fDQ
U pψ RI
无刷直流电机的数学模型
• 在a-b-c原坐标下BLDC的磁链方程式：
BLDC无转子侧绕组，不需列转子侧的磁链与电压方程。 定子侧的磁链包括两部分：定子电流在定子绕组中产生的磁链、 转子永磁体在定子绕组中产生的磁链（设其最大值为Ψ m）。
180
H1
—
■触发信号 ●原始位置信号经逻辑“与”， 获得六路 120 宽触发信号 ●按上跳沿互差 60 ， 供六开关元件触发导通
①

H1
t
120

H2
—
H2
t
H3
—
H3
H3
t
H1 H 2
—
④
H1 H2
—
t
H2 H3
—
③
H2 H3
—
⑥ H2 H3
—
t
② H 1 H3
—
⑤
H1 H3
—
t
永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
（4）光电式 ①光电元件 ●发光二极管（发送）+光敏三极管（接收） ●数量同电机相数，位置对称分布（三相 120 分布）
永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
②遮光圆盘 ● 180 电角度开口，极对数同电机转子 ●开口处不遮光，发光元件输出“1”；不开口处遮光，发光 元件输出“0”
等
②磁敏式：霍尔磁元件，应用最多，使永磁元刷直 流电机有“霍尔电机”之称
③光电式
④无传感器方式
永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
（3）磁敏式位置传感器 ①霍尔元件（霍尔集成电路）：利用霍尔磁效应检测磁场 ■霍尔电势反映受检外磁场 B 的有无、极性、大小
B 外磁场
EH
I
恒定电流控制பைடு நூலகம்
霍尔电势
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子速度（同步速），只要改变张角 ，即可获得快速的转 矩响应，无转子惯性的机械时间常数影响。
同步电动机变频调速 同步电机的变频调速
（2）异步电机 转矩变化必须要有转差的变化
T s 曲线稳定运行区， s 0 ~ sm 很小，则
s1 T mp( ) s 1 R2 U1
2
n1 n s n1
f ( )
无刷直流电机的数学模型
• 在a-b-c原坐标下BLDC的电压方程式：
u a u b u c Laa p M ba M ca M ab Lbb M cb ke( ) M ac ia ia i E ke i M bc b m ( 2 / 3) Rs b ke( 2 / 3) ic Lcc ic
●减少每相电流、实现大容量化
（2）永磁转子 面贴式永磁体，气隙磁场分布为矩形波，基 波 Bδ1 为主
Bd
Bd 1

永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
2．功率电子开关
（1）采用自关断器件GTR，P-MOSFET，IGBT等作开关元件
（2）有三相及多相、半桥及全桥电路形式
永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
■常用开关型霍尔元件
永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
②转子位置检测系统 两部分组成 ■永磁转子
●相对位置关系固定
●反映电机转子磁极的空间位置
■霍尔检测元件
●数量同电机相数 ●位置上对称分布（三相 120分布）
永磁无刷直流电动机原理 无刷直流电机的结构
③波形
H H ■原始位置信号 H1 ， 2 ， 3
ψ abc L ψ LI ss ψ fDQ L rs
Rs 0 0 R 0 0 0 0 Rs 0 0 0 0 0 0 Rs 0 0 0 0 0 0 Rf 0 0
L sr I abc L rr I fDQ
H ●三相系统输出一组 180 宽原始位置信号 H1 ，H 2 ， 3 （同 霍尔元件）
90
180 2极
4极
无刷直流电机的数学模型
（二）BLDC的稳态运行情况 回顾－－凸极同步电动机在d-q-0坐标下的模型很简单：
d Ld 0 M af 1 id i Lq 0 q 恒值 q 0 f 3 i f M af 1 0 L ff 2 ud p d q Rs id Lq iq Rs id U m sind