正弦波永磁同步电动机

b）绕组星形连接的桥式电路
c）绕组角形连接的桥式电路
图3-6 三相无刷直流电动机绕组连接方式
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3.2.1 无刷直流电动机的运行原理
对于角形连接，当感应电动势不平衡时闭合绕 组回路中会产生环流，因此在无刷直流电动机中 较少采用。半桥连接由于绕组利用率较低，一般 仅用于对成本敏感的小功率场合，广泛应用的是 星形全桥接法。
无刷直流电动机的定子绕组可以采用星形连接，也可以 采用角形（或称封闭形）连接。当绕组为星形连接时，其 逆变器可以采用桥式电路，也可以采用半桥电路；当绕组 为角形连接时，逆变器只能采用桥式电路。以三相无刷直 流电动机为例，三种连接方式如图3-6所示。
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3.2.1 无刷直流电动机的运行原理
a)半桥电路
第3章 无刷永磁伺服电动机
3.1 概述
3.2 无刷直流电动机
3.3 正弦波永磁同步电动机及其矢量控制伺服
驱动系统
3.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动
机的比较
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3.1 概述
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类
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3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
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3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
嵌入式和内置式的特点：交、直轴磁路磁阻是不相等的。 内置式转子的交、直轴磁路如图3-4所示。直轴磁路磁阻大 于交轴磁路磁阻，因此内置式和嵌入式转子结构的无刷永 磁伺服电动机属于凸极同步电动机。 注意：电励磁凸极同步 电动机中直轴磁路磁阻小 于交轴磁路，因此直轴同 步电抗Xd（电感Ld）大于 交轴同步电抗Xq（电感 Lq），而永磁同步电动机 中正好相反，其交、直轴 绕组电感的关系是LqLd。
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3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类
两种电动机在结构上的差别 无刷直流电动机：为得到平顶部分足够宽的梯形波感应 电动势，转子常采用表面式或嵌入式结构，转子磁钢呈弧 形（瓦形），并采用径向充磁方式。由于内置式转子很难 产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机中一般不宜采用。 正弦波永磁同步电动机：转子既可以采用表面式和嵌入 式结构，也可以采用内置式结构。为产生正弦波感应电动 势，设计时应使气隙磁密尽可能呈正弦分布。以图3-1a） 所示的表面式结构为例，在正弦波永磁同步电动机中，转 子磁钢表面常呈抛物线形，并采用平行充磁方式；定子方 面采用短距分布绕组或正弦绕组，以最大限度地抑制谐波 磁场对感应电动势波形的影响。
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3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
内置式转子：永磁体不是装在转子表面上，而是位于转 子铁心内部，可能的几何形状有多种，图3-3给出了两种 典型结构。图3-3a）所示转子结构中永磁体为径向充磁， 在图3-3b）所示转子结构中永磁体为横向充磁（切向充 磁）。
相邻的永 磁体串联
相邻的永 磁体并联
对于伺服电动机而言，一个基本要求是其转速能在宽广 的范围内连续调节，因此无刷永磁伺服电动机通常由变频 电源供电，采用变频调速技术实现转速调节。变频电源供 电的永磁同步伺服电动机，由于供电电源频率可以由低频 逐渐升高，可以直接利用同步转矩使电动机起动，故转子 上一般不设阻尼绕组。
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3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
a）直轴磁通路径
b）交轴磁通路径
图3-4 内置式无刷永磁伺服电动 机的交、直轴磁路
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3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电
由恒频电源供电的永磁同步电动机仅适用于在要求恒速 运转的场合作为驱动电机使用。为了解决电动机的起动问 题，其转子上需装设笼型起动绕组（阻尼绕组），利用笼 型绕组感应产生的异步转矩将电动机加速到接近同步速， 然后由永磁体产生的同步转矩将转子牵入同步。
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3.2.1 无刷直流电动机的运行原理
2. 电枢绕组及其与逆变器的连接
有刷直流电动机通常元件数很多，其电枢绕组相当于一 个相数很多的多相绕组，而无刷直流电动机中相数的增多 会造成逆变器功率开关器件数量增多，电路变得复杂，成 本增高，可靠性变差，目前最常见的无刷直流电动机为三 相，也有采用二相、四相和五相的。
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3.2 无刷直流电动机
3.2.1 无刷直流电动机的运行原理
3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性
3.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型 3.2.4 无刷直流电动机的控制系统 3.2.5 无刷直流电动机的转矩脉动
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3.2.1 无刷直流电动机的运行原理
1. 无刷直流电动机的基本思想 直流电动机的工作特征：在直流电动机中，通常磁极在 定子上，电枢绕组位于转子上。由电源向电枢绕组提供的 电流为直流，而为了能产生大小、方向均保持不变的电磁 转矩，每一主磁极下电枢绕组元件边中的电流方向应相同 并保持不变，但因每一元件边均随转子的旋转而轮流经过 N、S极，故每一元件边中的电流方向必须相应交替变化， 即必须为交变电流。在有刷直流电动机中，把外部输入的 直流电变换成电枢绕组中的交变电流是由电刷和机械式换 向器完成的，每当一个元件边经过几何中性线由N极转到S 极下或由S极转到N极下时，通过电刷和机械换向器使绕组 电流改变方向。
b）永磁体为圆环形
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图3-1 表面式转子结构
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
嵌入式转子：结构如图3-2所示，永磁体嵌装 在转子铁心表面的槽中。
对于高速运行的伺服电动机， 采用表面式或嵌入式时，为了 防止离心力的破坏，常需在其 外表面再套一非磁性金属套筒 或包以无纬玻璃丝带作为保护 层。
图3-2 嵌入式转子结构
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3.1.3 பைடு நூலகம்刷永磁伺服电动机的分类
两种电动机在其它方面的差别 两种电动机在运行原理、分析方法及数学模型、控制策 略及控制系统、运行性能等方面均有很大差异。 正弦波永磁同步电动机：由电励磁同步电动机发展而来， 出发点是用永磁体取代转子励磁绕组，运行原理、分析方 法、运行性能等与普通电励磁同步电动机基本相同，只是 由于采用永磁体励磁和自控变频方式带来了一些新特点。 无刷直流电动机：是由直流电动机发展而来的，其出发 点是用由转子位置传感器和逆变器构成的电子换向器取代 有刷直流电动机中的机械换向器，把输入直流电流转换成 交变的方波电流输入多相电枢绕组，其转矩产生方式、控 制方法和运行性能等更接近直流电动机，由于省去了机械 换向器和电刷，故得名为无刷直流电动机。
a）永磁体径向充磁
b）永磁体横向充磁
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图3-3 内置式转子结构
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
当电动机极数较多时，径向充磁结构受到永磁体供磁面 积的限制，不能提供足够的每极磁通，而横向充磁结构由 于相邻磁极表面极性相同，每个极距下的磁通由相邻两个 磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。横向充磁结构的 不足之处是漏磁系数较大，且转轴上需采取适当的隔磁措 施，如采用非磁性转轴或在转轴上加非磁性隔磁衬套，使 制造成本增加，制造工艺变得复杂。 三种转子结构的比较 表面式的特点：表面式结构的电机交、直轴电感相等， 是一种隐极式同步电动机；由于有效气隙较大，绕组电感 低，有利于改善电机的动态性能；可使转子做的直径小， 惯量低。因此许多无刷永磁伺服电动机都采用这种结构。
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3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类
无刷永磁伺服电动机的分类
无刷直流电动机（BLDCM——Brushless DC Motor）： 定子绕组中的感应电动势应为梯形波，定子绕组中应通入 方波电流，因此无刷直流电动机也称为梯形波永磁同步电 动机或方波永磁同步电动机。 正弦波永磁同步电动机：简称永磁同步电动机 （PMSM ——Permanent Magnet Synchronous Motor）。 定子绕组感应电动势为正弦波，为了产生恒定转矩，定子 绕组应通入正弦波电流。
无刷永磁伺服电动机也称为交流永磁伺服电动机，通常是 指由永磁电动机和相应驱动、控制系统组成的无刷永磁电动 机伺服系统，有时也仅指永磁电动机本体。
无刷永磁伺服电动机就电动机本体而言是一种采用永磁体 励磁的多相同步电动机，定子结构与普通同步电动机或感应 电动机基本相同，转子方面则由永磁体取代了电励磁同步电 动机的转子励磁绕组 。 转子结构的三种基本形式 ： 按照永磁体在转子上位置的不同，无刷永磁伺服电动机的 转子结构一般可分为表面式（凸装式）、嵌入式和内置式三 种基本形式。转子结构是无刷永磁伺服电动机与其它电机最 主要的区别，对其运行性能、控制系统、制造工艺和适用场 合等均具有重要影响。
图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成
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3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
基本工作原理： 由转子位置检测器产生转子磁极的空间 位置信号，并将其提供给控制器；控制器根据来自外部 （如上位机等）的控制信号和来自位置检测器的转子位置 信号，产生逆变器中各功率开关器件的通断信号；由逆变 器将输入直流电压转换成具有相应频率和相位的交流电流 和电压，供给伺服电动机。 图中的逆变器通常为由电力MOSFET、IGBT等全控 型器件构成，并采用脉宽调制技术的PWM逆变器，可 以直接将输入的不可调直流电压变成频率和大小均可调 的变频、变压交流电输出。在输入为交流电源的场合， 可由整流器将交流电整流，并经电容滤波后，作为直流 电源提供给逆变器，此时整流器和逆变器结合起来构成 了一台交-直-交变频器。
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3.2.1 无刷直流电动机的运行原理
3．无刷直流电动机的工作原理 下面以图3-7所示的星形全桥接法三相无刷直流电动机为 例，对无刷直流电动机的具体工作情况作进一步分析，为 了便于分析，图中还给出了各电量的正方向。 设电机为2极，定子为三相 整距集中绕组，转子采用表 面式结构，永磁体宽度为 120°电角度，转子按逆时针 方向旋转，电角速度为r 。 工作情况分析： rt=0° 换相前；换相后
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3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
表面式转子：典型结构如图3-1a）所示，永磁体通常呈 瓦片形，通过环氧树脂直接粘贴在转子铁心表面上。 在体积和功率较小的无刷永磁伺服电动机中，也可以采 用圆环形永磁体，如图3-1b）所示，永磁体为一整体的圆 环，该结构的转子制造工艺性较好，漏磁小。
a）永磁体为瓦片形
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
无刷永磁电动机伺服系统的组成
由于他控变频的同步电动机存在振荡和失步等问题，因 此无刷永磁伺服电动机通常采用自控变频方式，所构成的 无刷永磁电动机伺服系统如图3-5所示。 组成：主要由永磁 同步电动机MS、转子 位置检测器BQ、逆变 器和控制器4个部分组 成。
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3.2.1 无刷直流电动机的运行原理
无刷直流电动机的基本思想：为了消除电刷和机械 换向器，在无刷直流电动机中将直流电动机反装，即 将永磁体磁极放在转子上，而电枢绕组成为静止的定 子绕组，为了使定子绕组中的电流方向能随其线圈边 所在处的磁场极性交替变化，需将定子绕组与电力电 子器件构成的逆变器连接，并安装转子位置检测器， 以检测转子磁极的空间位置，根据转子磁极的空间位 置（由此可以确定电枢绕组各线圈边所在处磁场的极 性）控制逆变器中功率开关器件的通断，从而控制电 枢绕组的导通情况及绕组电流的方向，显然在这里转 子位置检测器和逆变器起到了“电子换向器”的作用。
同步电动机变频调速系统的基本类型
根据变频电源频率控制方式的不同，同步电动机变频调 速系统可以分为他控变频和自控变频两大类。
他控变频：用独立的变频装置给同步电动机供电，通过 直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速，是一种 频率开环控制方式。 自控变频：所用的变频电源是非独立的，变频装置输出 电流（电压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置的转 子位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位 自动跟踪转子磁极空间位置的闭环控制方式。由于电动机 输入电流的频率始终和转子的转速保持同步，采用自控变 频方式的同步电动机不会产生振荡和失步现象，故也称为 自同步电动机系统。 10
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3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类
关于无刷直流电动机的归类问题：
如前所述，无刷直流电动机是由直流电动机发展而来 的，应属于直流电动机。但另一方面，就电机本体而言， 无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机差别不大；从 控制系统的角度看，电动机是由逆变器供电的，并且工 作在自控变频方式或自同步方式下，因此又是一种自控 变频同步电动机系统。鉴于此，目前既有人将其归为直 流电动机，也有人将其归于同步电动机。