定子永磁型无刷电机综述

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永磁无刷同步电机本体设计原理

永磁无刷同步电机本体设计原理

永磁无刷同步电机本体设计原理
永磁无刷同步电机(PMSM,permanent magnet synchronous motor)的基本设计原理是交流电机的工作原理,其定子运行是三项的相差的交流电,而转子则是永磁体。

这种电机的最大优势在于交流电能量由直流提供,可以对电机进行精确的控制,并且解决了电刷带来的寿命问题。

无刷电机主要由转子和定子两部分组成。

转子是由一系列永磁体或磁铁组成,这些永磁体或磁铁通过轴心连接在一起并固定在转轴上。

转子上的永磁体产生磁场,而这个磁场是恒定的,不随转子转动而改变。

定子是由一组线圈组成,这些线圈通常由铜线绕成,安装在无刷电机的外壳内。

当电流通过定子线圈时,它们产生的磁场与转子上的永磁体磁场相互作用,从而产生旋转力。

此外,无刷电机使用电子换向器取代了机械换向器,使得电机既具有直流电机良好的调速性能,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。

电子控制器是无刷电机的关键部分,负责监测和控制电流的流向和大小,从而控制电机的旋转速度和方向。

在电机运行时,转子会寻找与定子磁场对齐的位置。

当转子与定子磁通分隔90°时,产生的转距最大,而当磁通对齐时,转距为零。

通过不断地换向和控制电流的大小,可以使得电机持续、稳定地旋转。

总的来说,永磁无刷同步电机的设计原理是利用永磁体和线圈之间的相互作用产生旋转力,通过电子控制器控制电流的流向和大小,实现电机的精确控制。

无刷发电机工作原理

无刷发电机工作原理

无刷发电机工作原理
无刷发电机是一种利用电磁感应原理将电能转化为机械能的设备。

它主要由定子、转子和电子器件组成。

无刷发电机的定子是由一组线圈组成,这些线圈被固定在一根金属磁心上。

当电流通过这些线圈时,会在定子上产生一个磁场。

无刷发电机的转子是由一组永磁体组成,通过一个轴连接到外部机械装置上。

这些永磁体被放置在定子的外部,使其能够相对于定子旋转。

无刷发电机中的电子器件则起到了控制电流供应的作用。

它们可以检测定子和转子之间的位置,并根据这个位置信息,不断地调整电流的供应,以保持转子的正常运转。

工作过程中,当外部机械装置转动时,转子也会随之旋转。

转子上的永磁体在旋转过程中会通过定子产生电磁感应现象。

具体来说,当永磁体靠近一个线圈时,该线圈中的电流方向会随之改变;而当永磁体远离该线圈时,电流方向会再次改变。

这种变化会在电子器件的控制下,使得定子线圈中的电流始终沿着一个方向流动。

定子线圈中的电流流动会在周围产生一个磁场,这个磁场与转子上的永磁体产生作用力,使得转子继续旋转。

同时,转子的旋转也会带动外部机械装置继续运动。

通过不断地调整电流供应和控制转子旋转的速度,无刷发电机能够稳定地将电能转化为机械能,从而实现工作。

永磁无刷直流电机简介

永磁无刷直流电机简介
电气学院
表贴凸出式和插入式转子磁路构造图
电气学院
1)表贴凸出式转子磁路构造 • 其构造简朴,制造成本较低,转动惯量较小,多用于矩形
波永磁同步电动机和恒功率运营范围不宽旳永磁同步电动 机中
2)表贴插入式转子磁路构造 • 这种构造可充分利用转子构造磁路旳不对称性所产生旳磁
阻转矩,提升电机旳功率密度。制造工艺也较简朴。一般 用于某些调速永磁同步电动机中。
B
(2)空载时铁心中旳附加(或杂散)损耗,它是由定转子开槽引起旳气隙磁导变化 而产生旳谐波磁场在对方表面产生旳表面损耗及脉振损耗。 (3)电气损耗,是由工作电流在绕组中产生旳损耗,对直流电机或同步电机而言, 也涉及电刷在换向器或集电环上旳接触电阻损耗。
(4)负载时旳附加(或杂散)损耗,是由定子或转子电流所产 生旳漏磁场在定、转子绕组里和铁心及构造件里引起旳多种损耗。
• 假如将一只霍尔传感器安装在接近转子旳位置,当N极逐渐接近 霍尔传感器即磁感应强度到达一定值时,其输出是导通状态;
• 当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时,其输出依 然保持导通状态;只有磁场转变为S极并到达一定值时,其输出 才翻转为截止状态。
• 在S-N交替变化磁场下,传感器输出波形占高、低电平各占50%。 • 假如转子是一对极,则电机旋转一周霍尔传感器输出一种周期旳
✓ 具有很好旳力学特征,韧性好、抗压强度高、可加工等
✓ 价格合理,经济性好
电气学院
• 铁氧体:适合于对电机体积、重量和性能要求不高,而对电机旳经济 性要求高旳场合。
• 铝镍钴:适合于对电机体积、重量和性能要求不高,但工作温度超出 300度或要求温度稳定性好且电机旳成本不高旳场合。
• 钕铁硼:适合于对电机体积、重量和性能要求很高,工作环境温度不 高,对永磁体温度稳定性要求不高旳场合。

永磁无刷直流电机的构造

永磁无刷直流电机的构造

永磁无刷直流电机的构造永磁无刷直流电机是一种重要的电动机类型,其构造与传统的有刷直流电机有所不同。

在本文中,我们将深入探讨永磁无刷直流电机的构造,了解其工作原理以及与其他类型电机的区别。

一、永磁无刷直流电机的构造永磁无刷直流电机由多个关键组件构成,包括转子、定子和电子调速器。

下面我们将逐一介绍这些部件的功能和特点。

1. 转子转子是电机中的旋转部分,由永磁体和轴承组成。

其中,永磁体通常由稀土永磁材料制成,具有较高的磁场强度和矫顽力,能够提供较大的转矩。

轴承则用于支撑转子的转动,通常采用滚珠轴承或磁悬浮轴承。

2. 定子定子是电机中的固定部分,由线圈、铁心和绕组等组成。

线圈通常由导电材料绕制而成,绕制方式包括单层绕组和多层绕组。

铁心则用于增强磁场,并且通过绕组与转子的磁场相互作用,实现电能到机械能的转换。

3. 电子调速器电子调速器是永磁无刷直流电机的控制中枢,通过电子器件对电机的电流进行控制和调节。

常见的电子调速器包括三相桥式整流器、逆变器和控制芯片等。

电子调速器通过控制转子上的永磁体和定子上的绕组之间的电流关系,实现对电机转速和扭矩的精准调控。

二、永磁无刷直流电机的工作原理永磁无刷直流电机的工作原理基于磁场的相互作用,其具体过程如下:1. 磁场形成当电流通过定子绕组时,会在定子和转子之间产生一个旋转磁场。

这个旋转磁场由定子绕组的电流和转子上的永磁体形成。

2. 磁场相互作用转子上的永磁体与定子绕组之间的磁场相互作用,导致转子受到力矩的作用而开始旋转。

这个力矩的大小与磁场强度、永磁体形状和绕组电流等因素有关。

3. 电子调速器控制电子调速器通过控制定子绕组的电流和磁场强度,可以实现对电机转速和扭矩的调节。

通过改变电子调速器的工作方式,可以实现电机的正转、反转和调速等功能。

三、永磁无刷直流电机与其他电机的区别与传统的有刷直流电机相比,永磁无刷直流电机具有以下特点:1. 无刷结构永磁无刷直流电机采用了无刷结构,消除了传统电机中刷子的使用,减少了能量损耗和机械磨损,并提高了电机的可靠性和寿命。

无刷直流电机控制技术综述

无刷直流电机控制技术综述

无刷直流电机控制技术综述一、本文概述随着科技的飞速发展和工业自动化的深入推进,无刷直流电机(Brushless DC Motor, BLDCM)控制技术日益受到广泛关注。

无刷直流电机以其高效、节能、长寿命等优点,在电动工具、电动车、航空航天、机器人等领域得到广泛应用。

本文旨在对无刷直流电机控制技术进行综述,介绍其基本原理、发展历程、主要控制策略以及未来发展趋势,以期为相关领域的研究者和工程师提供有益的参考。

本文将对无刷直流电机的基本结构和工作原理进行简要介绍,为后续的控制技术分析奠定基础。

通过回顾无刷直流电机控制技术的发展历程,揭示其从简单的开环控制到复杂的闭环控制,再到智能控制的演变过程。

接着,重点介绍几种主流的无刷直流电机控制策略,包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等,并分析它们在不同应用场景下的优缺点。

还将探讨无刷直流电机在高速、高精度、高效率等方面的特殊控制需求及其解决方案。

本文将对无刷直流电机控制技术的未来发展趋势进行展望,包括控制算法的优化与创新、新型功率电子器件的应用、以及电机与控制系统的一体化设计等。

通过本文的综述,读者可以对无刷直流电机控制技术有一个全面而深入的了解,为相关领域的研究和实践提供有益的启示和指导。

二、无刷直流电机的基本原理与结构无刷直流电机(Brushless Direct Current,简称BLDC)是一种采用电子换向器替代传统机械换向器的直流电机。

其基本工作原理和结构与传统直流电机有所不同,因此在控制上也具有其独特之处。

基本原理:无刷直流电机的工作原理基于电子换向技术。

它利用电子开关器件(如功率晶体管或功率MOSFET)实现对电机电流的换向控制,从而改变了电机转子的旋转方向。

与传统直流电机相比,无刷直流电机省去了机械换向器和电刷,因此具有更高的运行效率和更长的使用寿命。

结构特点:无刷直流电机主要由定子、转子和电子换向器三部分组成。

定子通常由多极电磁铁构成,而转子则是一个带有永磁体的圆柱形结构。

定子永磁型无刷电机

定子永磁型无刷电机

定子永磁型无刷电机
定子永磁型无刷电机是一种使用永磁体加以励磁的无刷电机。

与传统的有刷直流电机相比,定子永磁型无刷电机通过在定子上安装永磁体,省去了传统电机中的换向器和电刷,从而降低了能源消耗和机械磨损。

定子永磁型无刷电机的工作原理如下:定子上的永磁体产生恒定的磁场,当电流通过定子绕组时,产生的磁场与永磁体的磁场相互作用,产生力矩,从而驱动电机转动。

由于无需传统电机中的换向器和电刷,无刷电机具有无电刷损耗、电子换向精度高等特点,因此在很多应用场景中得到广泛应用。

定子永磁型无刷电机可以分为永磁同步电机(PMSM)和永磁直流电机(PMDC)两种类型。

永磁同步电机是最常见的无刷电机类型,它根据转子类型又可分为内转子型和外转子型。

永磁直流电机则是在直流电机的基础上加上了永磁体,但仍然保留了直流电机的特点。

定子永磁型无刷电机广泛应用于工业自动化、家用电器、电动车辆、航空航天等领域,具有高效、可靠、稳定的特点,是现代电机驱动技术的重要组成部分。

无刷永磁电动机工作原理

无刷永磁电动机工作原理

无刷永磁电动机工作原理
无刷永磁电动机是一种常用的电动机,其工作原理如下:
1. 永磁体:无刷永磁电动机的转子上通常安装有永磁体,它是由高能磁体材料制成,具有较强的磁场。

2. 定子:定子是电动机的固定部分,通常由一组定子线圈组成。

这些线圈被安排在电动机壳体内,呈现环形排列。

在定子线圈中通电时,它们会产生磁场。

3. 传感器:无刷永磁电动机通常配备有传感器,用于检测转子的位置和速度,并向控制器提供信号。

4. 控制器:控制器是电动机的控制中心,它接收传感器的信号,并根据需要控制定子线圈的通电情况。

工作过程如下:
1. 在电动机初次启动时,控制器将电流送至定子线圈,根据传感器提供的转子位置信息,控制器确保定子线圈的磁场与永磁体的磁场相互作用。

2. 这种相互作用会产生转矩,使得转子开始转动。

随着转子的转动,传感器会持续监测转子的位置,并向控制器提供反馈。

3. 控制器根据传感器的反馈信号,实时调整定子线圈的通电情况,以保持转子与磁场之间的最佳相互作用。

4. 此过程不断重复,使电动机保持稳定运转。

由于无需通过刷子传递电流,无刷永磁电动机具有较高的效率和较长的寿命。

总结:无刷永磁电动机通过定子线圈和永磁体之间的相互作用来产生转矩,实现电动机的运转。

控制器根据传感器的反馈信号,调节定子线圈的通电情况,以保持转子与磁场之间的最佳相互作用。

永磁无刷直流电机介绍和工作原理

永磁无刷直流电机介绍和工作原理

永磁无刷直流电机 正弦波PMSM调速系统的组成
一种典型的正弦波永磁同步电动机调速系统框图
永磁无刷直流电机
永磁无刷直流电动机结构特点:
• 定子绕组采用整距、集中绕组; • 永磁体粘接至转子表面,呈隐极式结构;
图10.16 永磁无刷直流电动机的主磁场磁密波形图
永磁无刷直流电机
永磁无刷直流电动机 定子绕组感应的相电势和电流波形
永磁无刷直流电机
无刷电机专用驱动电路 MC33035
永磁无刷直流电机
无刷电机专用驱动电路 MC33035
永磁无刷直流电机
无刷电机专用驱动电路TDA1621
LM621的原理框图
LM621的换相译码真值表
永磁无刷直流电机
无刷电机专用驱动电路TDA1621
永磁无刷直流电机
无位置传感器无刷电机专用驱动芯片TDA5142T
永磁无刷直流电机
永磁同步电动机的发展前景
1. 更高的节能效果。永磁同步电动机采用永磁体励磁,无需励磁电流,所以 可以显著提高功率因数。定子电流小,转子无铜耗。比一般的异步电动机 效率提高2%~8%,尤其轻载运行节能效果显著。
2. 可满足某些工业需求大的启动转矩和最大转矩倍数的要求。
3. 低速驱动的需求。为了提高控制精度,减少震动噪音,也为了大转矩驱动 要求,近年来对低速电动机的需求不断增长,如:电梯拖动用永磁同步曳 引机,转矩提高十几倍,取消了庞大的齿轮箱,通过曳引轮直接拖动轿厢, 明显减小了噪音和震动;又如:船用吊舱式电力推动器,将低速大转矩永 磁同步电动机置于船舱外的吊舱,无需原来的传动系统,直接驱动螺旋桨。 四门子公司吊舱式推进器中PMSM容量已达30000KW。
电的过程,或者磁场旋转的过程,定
子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁

永磁无刷直流电机简介

永磁无刷直流电机简介

1 绪论1.1 无刷直流电动机是最具发展前途的机电一体化电机无刷直流电动机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机,它是现代电子技术(包括电力电子、微电子技术)、控制理论和电机技术相结合的产物。

众所周知,直流电动机具有优越的调速性能,主要表现在控制性能好、调速范围宽、起动转矩大、低速性能好、运行平稳、效率高,应用场合从工业到民用极其广泛。

在普通的直流电动机中,直流电的电能是通过电刷和换向器进入电枢绕组,与定子磁场相互作用产生转矩的。

由于存在电接触部件——电刷和换向器,结果产生了一系列致命的缺陷:⑴机械换向产生的换向火花引起换向器和电刷磨损、电磁干扰、噪声大,寿命短;⑵结构复杂,可靠性差,故障多,需要经常维护;⑶由于换向器存在,限制了转子转动惯量的进一步下降,影响了动态特性。

在许多应用场合下,它是系统不可靠的重要来源。

虽然直流电动机是电机发展历史上最先出现的,但它的应用范围因此受到限制,使后来者且运行可靠的交流电机得到发展,取而代之广泛应用。

交流电机的历史超过百年。

但是,无刷直流电动机历史只有几十年。

1955年美国D.harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利,这是无刷直流电动机的雏形。

在1962年,T.G.Wilson和P.H.Trickey提出“固态换相直流电机”专利,这标志着现代无刷电动机的真正诞生。

从20世纪60年代初开始,无刷直流电动机进入到应用阶段。

因其较高的可靠性,无刷直流电动机最先在宇航技术中得到应用。

1964年,它被美国国家航空航天局(NASA)使用,用于卫星姿态控制、太阳电池板的跟踪控制、卫星上泵的驱动等。

在1978年当时的联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器在汉诺威贸易展览会正式推出,是电子换向的无刷直流电动机真正进入实用阶段的标志。

国际上对无刷直流电动机进入深入的研究,从研制方波无刷电机基础上发展到正弦无刷电机——新一代的永磁同步电动机(PMSM)。

简介永磁无刷直流电机的原理及特点

简介永磁无刷直流电机的原理及特点
端 的 工 业 级 、专 业 级 锂 电直 流 工具 领 域 应 用 中
成 本 低廉 等 诸 多 优 点 使 得 串 励 电机 在 电动 工 具 电机选 用 中 占据 统治 地 位 多 年 。
随着动力 电池技术进 步,特 别是动力锂 电
池 技 术 的 快 速 发展 ,无绳 、 强 劲 、 小 巧 便 携 的
s t r u c t u r e s a n d c o n t r o l p r i n c i p l e s o f b us r h l e s s mo t o r c o mp a r e d wi t h b r u s h mo t o r , l o o k i n g f o r wa r d t o t h e f u t u r e t r e n d o f t h e n e w mo t o r f o r p o we r t o o l s a p p l i c a t i o n s .
简介永磁 元刷 直流 电机的原理及特 点
刘 志 刚
( I : 海锐奇 I : 具 股份 仃限 公 d I : 海 2 0 1 6 1 2)
摘 要 介 绍无刷直流 电机在 电动工具中 的运用概况 ,对无刷 电机 相比有 刷电机 的特点、结 构和控制原理进行分析 ,展望对 电动工具应用新 型电机 的未来 趋势。
的 专 利构 建 了 无刷 直 流 电动 机 的雏 形。1 9 6 2 年 ,由 T. G. Wi l s o n和 P. H. Tr i c k e y提 出 “ 固 态换 相 直 流 电机 ” ( DC Ma c h i n e wi l h S o l i d
工 具 的 市 场 占 比 。有 专 家 预 言 : 电动 工 具 的 未 来在 于 锂 电等新 能 源 工具 ;

无刷直流电动机的工作原理

无刷直流电动机的工作原理

无刷直流电动机的工作原理
无刷直流电动机是一种将直流电能转化为机械能的驱动装置。

它由定子、转子和电子换向器组成。

1. 定子:无刷直流电动机的定子由电磁铁线圈构成。

这些线圈被连接到电源,通过电流激励产生一个恒定的磁场。

2. 转子:无刷直流电动机的转子是由永磁体组成的。

这些永磁体产生一个恒定的磁场,并且可以在定子产生的磁场里自由旋转。

3. 电子换向器:无刷直流电动机的电子换向器是一个关键的部件,它负责控制定子线圈的电流,使得转子始终保持旋转状态,并且引导电流使其不断改变方向。

这样,转子就可以根据外部环境的需求在不同的方向上旋转。

工作原理如下:
1. 初始状态:当电流通过定子线圈时,定子产生一个恒定的磁场。

2. 转子转动:由于转子是由永磁体组成的,而定子磁场与转子磁场发生互相作用,因此转子开始旋转。

3. 换向器工作:电子换向器探测转子位置并相应地改变定子线圈的电流方向,以保持转子的旋转方向和速度。

4. 维持运转:电子换向器根据转子位置的反馈信号,不断调整定子线圈的电流方向和大小,使转子能够持续地旋转。

无刷直流电动机具有高效率、无需维护、无电刷摩擦等优点,广泛应用于电动车、工业自动化等领域。

无刷直流电动机控制系统文献综述

无刷直流电动机控制系统文献综述

毕业设计文献综述4)电动机出力高:该电动机在体积和最高工作转速相同时,较异步电动机输出功率提高30%。

5)适应性强:电源电压偏离额定值+10%或-15%,环境温度相差40K以及负载转矩从0-100%额定转矩波动时,无刷直流电动机的实际转速与设定转速的稳态偏差,不大于设定转速的±1%。

6)无刷直流电动机是一种自控式调速系统,它无需像普通同步电动机那样需要启动绕组;在负载突变时,不会产生振荡和失步。

8)无刷直流电动机适合长期低速运转、频繁启动的场合,这是变频调速器拖动Y系列电动机不可能实现的。

四、无刷直流电动机系统的组成无刷直流电动机基本上有二种方案。

其中一种方案:由受控制的变换器和同步电动机并用,它由变换器、同步电动机、转子位置传感器和逻辑电路组成。

同步电动机是指多相(三、四、五相等)电枢绕组定子和永磁体转子。

定子可采用与传统直流电机转子非常相似的方式绕成,绕组原应接于换向器升高片的位置现由晶体管开关所代替,应用转子位置传感器和相关的逻辑电路,开关可依次接通和关断,以仿效换向器的作用,并在定子内产生了跳跃式的磁场,使永磁转子跟着旋转。

故无刷直流电动机和传统直流电动机有相同的工作原理。

无刷直流电动机的简图如下图所示。

图I 无刷直流电动机的简图1无刷直流电动机(BLDCM)由电动机本体和驱动器构成,是一种典型的机电一体化产品。

2 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。

电动机转子由钕铁硼等永磁材料构成。

在定转子形成的气隙中产生N-S极相间的方波磁场,所以也把这种电动机称为“方波电动机”。

为了使电动机绕组准确换向,在电动机内装有位置传感器,。

无刷电机的原理及应用

无刷电机的原理及应用

无刷电机的原理及应用1. 简介无刷电机(Brushless Motor)又称无刷直流电机(BLDC Motor),是一种与传统直流电机(Brushed Motor)相对应的新型电机。

与传统直流电机通过刷子(Brush)与转子(Rotor)进行接触传递电流不同,无刷电机通过电子元件(电调器)来控制电流的通断和方向,从而实现转子的转动。

无刷电机具有高效、无噪音、寿命长等特点,广泛应用于航空航天、机器人、汽车、工业自动化等领域。

2. 原理无刷电机的工作原理基于电磁感应与电子控制技术。

2.1 电磁感应无刷电机的转子上设置了一组永磁体,在转子旋转时,永磁体产生的磁场与定子上的线圈磁场相互作用,产生电磁感应力。

通过改变线圈磁场的极性,可以使转子不断地被吸引和推开,实现转动。

2.2 电子控制无刷电机通过电子控制器(电调器)对电流的通断和方向进行控制。

电调器接收来自电源的电压和来自传感器的信号,并通过电流控制电路将电流带到定子线圈上。

通过不断改变定子线圈的电流方向和大小,可以控制无刷电机的转速和转向。

3. 应用无刷电机具有很多优点,在各个领域得到了广泛应用。

3.1 航空航天无刷电机由于具有高效、轻量化等特点,被广泛应用于航空航天领域。

在飞机和航天器中,无刷电机通常用于控制鸭翼、襟翼、尾翼等舵面的运动,从而实现飞行器的稳定性和机动性。

3.2 机器人无刷电机在机器人领域有着广泛的应用。

机器人关节驱动通常采用无刷电机,其高效、精准的控制能力可以实现机器人的灵活运动和复杂动作。

3.3 汽车无刷电机在电动汽车和混合动力汽车的驱动系统中得到了广泛应用。

无刷电机的高效性和电子控制能力,可以提高汽车的动力输出和能源利用效率,使汽车更加环保和节能。

3.4 工业自动化无刷电机在工业自动化中起到了重要作用。

在流水线、机械臂、加工设备等自动化装置中,无刷电机用于驱动和控制传送带、平衡臂、刀具等运动部件,提高生产效率和产品质量。

4. 总结无刷电机作为一种新型电机,具有高效、无噪音、寿命长等特点。

永磁无刷直流电机介绍和工作原理

永磁无刷直流电机介绍和工作原理
iC
C
永磁 Y 电机
D2 H1 H2
iB
B
H3 转子位置传感器
(T5、T6 )
永磁无刷直流电机
(T6、T1) (T1、T2 ) (T2、T3 ) (T3、T4 ) (T4、T5 ) (T5、T6 )
1200
60 0
永磁无刷直流电机
(T6、T1) (T1、T2 ) (T2、T3 ) (T3、T4 ) (T4、T5 ) (T5、T6 )
1)H1受光,V1导通,A相 流过电流,产生磁势Fa。
电流路径:电源正极—A相 绕组—V1管—电源负极。
2)电机顺时针转过120度后, H1被遮光,H2受光,V1关 断,V2导通,B相绕组通入 电流,产生磁势Fb。
3)再转过120度,C相导通。
A相通电
Ff
Ff
Fa
永磁无刷直流电机
B相通电
上述过程可以看成按一定顺序换相通
永磁无刷直流电机介绍和工作 原理
永磁无刷直流电机
控制系统组成简图
直流电源
逆变器
电机本体
输出
控制信号
控制器
位置检测器
永磁无刷直流电机
二、无刷直流电动机的工作原理
传统直流电动机的工作原理
磁极 电枢
换向片
➢ 磁极静止,电枢旋转
➢ f电=I磁Bl转a,矩这个力形成
➢ 根据左手定则,线圈 在这个转矩作用下将 按逆时针方向旋转
电的过程,或者磁场旋转的过程,定
子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁
场是跳跃运动的,一周内有三种状态,
每种磁场状态持续120°,他们跟踪
转子并与转子的磁场相互作用,产生
驱使转子旋转的电磁转矩。
F a'

永磁无刷电动机系统发展现状

永磁无刷电动机系统发展现状

永磁无刷电动机系统发展现状导言永磁无刷电动机系统作为一种高效、节能的动力传动系统,其在各个领域的应用越来越广泛。

本文将就永磁无刷电动机系统的发展现状进行探讨,从技术、市场以及应用等方面进行阐述。

技术发展1. 电机设计随着电磁学和材料科学的发展,永磁无刷电动机的设计和制造技术不断提升。

高效率、高功率密度以及轻量化是当前电机设计的主要趋势。

2. 控制技术控制技术是影响永磁无刷电动机性能的关键因素之一。

采用先进的控制算法和硬件设备可以实现电机的精准控制和高效运行。

3. 磁性材料磁性材料的研发和应用对电机性能有着重要影响。

高性能的永磁材料和电机磁路设计的优化可以提高电机的效率和输出功率。

市场状态1. 行业应用永磁无刷电动机系统已广泛应用于汽车、家电、航空航天等领域。

随着新能源汽车和智能家居市场的快速发展,电机系统的需求量不断增加。

2. 市场竞争由于技术壁垒相对较高,目前永磁无刷电动机系统市场主要由少数大型企业垄断。

未来竞争将主要围绕技术创新和产品性能展开。

3. 发展趋势未来永磁无刷电动机系统将更加智能化、高效化和多样化。

多元化的应用场景和功能需求将推动电机系统技术的不断创新和完善。

应用展望1. 汽车领域永磁无刷电动机系统在新能源汽车中扮演着重要角色,其高效率和高功率密度使其成为驱动电动车辆的理想选择。

2. 家电领域随着智能家居概念的兴起,永磁无刷电动机系统在家电领域的应用也将逐渐增多,为用户提供更便捷、节能的生活方式。

3. 工业领域永磁无刷电动机系统在工业生产中的应用也是一大趋势,其高效率和精准控制可以提高生产效率,降低生产成本。

结语综上所述,永磁无刷电动机系统作为一种关键的动力传动系统,其在技术不断创新和市场需求不断增长的背景下,将迎来更加广阔的发展空间。

未来,随着电机技术的进步和市场需求的多样化,永磁无刷电动机系统必将继续发挥着重要的作用,为人类社会的可持续发展作出贡献。

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定子永磁型无刷电机系统及其关键技术综述

定子永磁型无刷电机系统及其关键技术综述

定子永磁型无刷电机系统及其关键技术综述一、本文概述随着科技的不断进步,电机技术也在持续创新与发展。

定子永磁型无刷电机系统作为一种先进的电机技术,以其高效、节能、低噪音等特性,在各个领域得到了广泛应用。

本文旨在对定子永磁型无刷电机系统及其关键技术进行综述,以期为读者提供全面的技术理解和应用参考。

本文将对定子永磁型无刷电机系统的基本原理和结构进行详细介绍,以帮助读者了解其基本构成和工作原理。

将重点分析定子永磁型无刷电机的关键技术,包括绕组设计、永磁体材料选择、控制系统设计等,探讨这些技术如何影响电机的性能表现。

本文还将对定子永磁型无刷电机系统的应用领域进行概述,包括电动汽车、航空航天、家用电器等,以展示其广泛的应用前景。

本文还将对定子永磁型无刷电机系统的发展趋势进行展望,包括材料科学的进步、控制技术的创新以及系统集成的发展等,以期为读者提供关于该领域未来发展方向的参考。

通过本文的综述,读者可以全面了解定子永磁型无刷电机系统的技术特点和应用现状,为其在相关领域的研究和应用提供有益的参考。

二、定子永磁型无刷电机系统的基本结构与工作原理定子永磁型无刷电机系统主要由定子、转子、电子换向器和位置传感器等部分组成。

其中,定子固定不动,其上绕有电枢绕组,用以产生电磁转矩;转子为永磁体结构,其上的永磁体提供恒定磁场。

电子换向器和位置传感器共同控制电机的换向,实现电机的连续旋转。

工作原理上,定子永磁型无刷电机系统利用电子换向器替代了传统的机械换向器,通过位置传感器检测转子的位置,控制电子换向器适时切换电枢绕组的电流方向,使得电机能够连续旋转。

在电机旋转过程中,定子上的电枢绕组通电产生磁场,与转子上的永磁体磁场相互作用,产生电磁转矩,驱动电机旋转。

由于采用了电子换向和位置检测技术,定子永磁型无刷电机系统具有更高的效率和更长的使用寿命。

定子永磁型无刷电机系统的关键技术还包括绕组设计、永磁体设计和控制系统设计等。

绕组设计要满足电机的转矩需求和电气性能要求,同时要考虑散热和绝缘等问题。

无刷电机工作原理

无刷电机工作原理

无刷电机工作原理
无刷电机,又称永磁同步电动机,是一种基于电磁场作用的电动机。

与传统的有刷电机不同,无刷电机通过电子控制系统实现转子的同步转动,而无需使用刷子与换向器。

无刷电机的工作原理基于两个主要部分:转子和定子。

1. 转子部分:转子由永磁体组成,它在整个运行过程中保持一定的磁场。

这个磁场可以是永久磁铁产生的,也可以是由电磁线圈产生的。

2. 定子部分:定子由多组线圈组成,这些线圈被称为驱动相。

驱动相内通以电流,产生的磁场与转子磁场进行交互作用。

工作原理如下:
1. 初始状态:当电机刚开始工作时,驱动相的线圈切断电流供给,此时转子没有受到任何外界力的作用,保持静止状态。

2. 检测位置:一个旋转位置传感器用于检测转子的位置。

这个传感器可以是霍尔传感器、光电传感器或者有刷电机中的复杂换向器。

3. 电子控制系统:根据位置传感器的信号,电子控制系统确定转子当前的位置,并向驱动相的线圈提供正确的电流。

4. 磁场交互:根据电流的变化,驱动相的线圈产生一组不同的
电磁场。

这些磁场与转子的磁场进行交互作用,产生电磁力。

5. 转动:由于转子受到电磁力的作用,开始转动。

电子控制系统会实时监测转子位置,并根据需要调整电流的方向和大小,以保持转子的同步转动。

通过以上的工作原理,无刷电机能够提供高效、可靠的转动,具有较低的噪音和振动水平。

在许多设备和应用中得到广泛应用,例如电动车、无人机和家用电器等。

永磁无刷电动机系统发展现状.概要

永磁无刷电动机系统发展现状.概要

引用永磁无刷电动机系统发展现状无刷电机绕组绕线机2008-11-29 19:55:17| 分类:默认分类| 标签:|字号大中小订阅引用David 的永磁无刷电动机系统发展现状莫会成(西安微电机研究所, 西安710077)来源:永磁电机会议论文集,编辑:闫晶芬摘要:永磁无刷电动机系统是以电机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构的电气传动控制系统。

随着电机技术、控制理论、数字脉宽调制技术、新材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步,伺服系统经历了从步进伺服到直流伺服,进而到永磁无刷电机伺服系统的发展历程,目前已成为电机控制技术的主流方向。

1 系统组成永磁无刷电动机系统是根据位置、速度和转矩等反馈信息构成的控制系统,由永磁无刷电动机、传感(传感器)和驱动器三部分组成(见图1)。

系统有开环运行、转矩控制、速度控制和位置控制4种基本运行方式,见图2~图5。

其中图4和图5是用于高精度的控制系统,如数控机床的进给驱动等。

图1 永磁无刷电动机系统方框图图2 开环运行方框图图3 转矩控制系统方框图图图4 速度控制系统方框图永磁无刷电动机是通过电子电路换相或电流控制的永磁电动机。

永磁无刷电动机有正弦波驱动和方波驱动两种型式:驱动电流为矩形波的通常称为永磁无刷直流电动机,驱动电流为正弦波的通常称为永磁交流伺服电动机,按传感类型可分为有传感器电动机和无传感器电动机。

驱动器指接受控制指令、可实现对电动机的转矩、速度和转子位置控制的电气装置。

驱动器按其控制电路和软件的实现方式可分为模拟量控制、数字模拟混合控制和全数字控制三种;按驱动方式可分为方波驱动和正弦波驱动。

图5 位置控制系统方框图传感部分的作用是检测永磁无刷电动机的位置、速度和电流。

常用的传感器有接近开关、光电编码器、旋转变压器、霍尔元件和电流传感器等。

2 结构、设计和工艺2.1 电机结构永磁无刷直流电动机的基本结构是将永磁直流电动机的定、转子位置进行互换,通常称为“内翻外”,转子为永磁结构,产生气隙磁通,定子为电枢,有多相对称绕组,直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置传感器所代替。

【精品】永磁无刷电机

【精品】永磁无刷电机

【关键字】精品作者:潘高超学号:班级:研15电气完成日期:2016年5月2日摘要随着计算机技术和现代控制理论的发展,由数字控制装置组成的随动系统应运而生。

与保守的模拟系统相比,数字随动系统具有设计简单,体积小,修改方便,精度高,可靠性高等优点。

作为典型的数字随动控制系统的执行器,无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列特点,又具有直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点,故在许多高科技领域得到了非常广泛的应用,如机器人、数控机床、雷达、潜艇和各种军用武器随动系统。

本文介绍了永磁无刷直流电机的国内外研究现状,并深入研究了基本结构、工作原理、数学模型和控制性能。

通过这些介绍,更加深入的了解永磁无刷直流电机的优缺点。

关键词:无刷直流电机,基本结构,工作原理,数学模型第一章绪论1.1引言在控制系统中,若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的,并且系统的输出量随输入量的变化而变化,这种系统就称为随动系统。

快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。

运动控制通常是指在复杂条件下,将预定的控制方案转变成期望的机械运动。

运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制等。

运动控制技术及其专用集成电路在雷达天线、惯性导航系统、卫星姿态等技术领域具有广阔的发展前景,是广大工程技术人员热衷研究开发的新课题。

随着计算机技术、现代控制理论的迅猛发展,由数字控制装置组成的随动系统即数字随动系统应运而生。

与保守的模拟系统相比,数字随动系统控制是从计算机接收控制命令,它具有设计简单,体积小,修改方便,精度高,可靠性高等优点。

1.2 无刷直流电机控制的国内外现状无刷直流电机既具有保守直流电机的优点,如较好的机械特性和调节特性,起动转矩大、过载能力强、调节方便、动态特性好等,又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,故在许多高科技领域得到了非常广泛的应用,如激光加工,机器人,数控机床,大规模集成电路制造设备、雷达、潜艇和各种军用武器随动系统,以及柔性制造系统等。

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Overview of Stator-Permanent MagnetBrushless MachinesMing Cheng,Senior Member,IEEE,Wei Hua,Member,IEEE,Jianzhong Zhang,Member,IEEE,andWenxiang Zhao,Member,IEEEAbstract—Permanent magnet(PM)brushless machines having magnets and windings in stator(the so-called stator-PM machines) have attracted more and more attention in the past decade due to its definite advantages of robust structure,high power density, high efficiency,etc.In this paper,an overview of the stator-PM ma-chine is presented,with particular emphasis on concepts,opera-tion principles,machine topologies,electromagnetic performance, and control strategies.Both brushless ac and dc operation modes are described.The key features of the machines,including the mer-its and drawbacks of the machines,are summarized.Moreover,the latest development of the machines is also discussed.Index Terms—Doubly salient,flux reversal,flux switching, overview,stator-permanent magnet(PM).I.I NTRODUCTIONW ITH THE significant achievements of permanent mag-net(PM)materials and power electronic devices,brush-less machines excited by PMs are developing dramatically. Generally speaking,there are a total of four types of PM machines which have magnets located on the rotor,and they are the following:1)surface mounted;2)inset;3)radial interior; and4)circumferential interior.It should be emphasized that all of the PM machines mentioned have magnets located on the rotor,and they are referred to as“rotor-PM machines”in this paper,which predominate in the industry applications due to outstanding advantages[1],[2].However,magnets usually need to be protected from the centrifugal force by employing a retaining sleeve,which is made of either stainless steel or nonmetallicfiber.Rotor temperature rise may be a problem due to poor thermal dissipation,which may cause irreversible demagnetization of magnets and may ultimately limit the power density of the machine.Recently,in contrast,a new type of PMManuscript received March21,2010;revised June28,2010,October1, 2010,and December21,2010;accepted February16,2011.Date of publication March7,2011;date of current version September7,2011.This work was supported in part by NSFC under Projects59507001,50377004,50337030, 50729702,50807007,60974060,and50907031;by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China under Projects 20050286020,200802861038,and20090092110034;by the High Tech Re-search Program of Jiangsu Province,China,under Project BG2005035;and by the Aeronautical Science Foundation of China under Projects20080769007and 20100769004.M.Cheng,W.Hua,and J.Zhang are with the School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing210096,China(e-mail:mcheng@ ;huawei1978@;seuzjz@).W.Zhao is with the School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang212013,China(e-mail:zwx@). Color versions of one or more of thefigures in this paper are available online at .Digital Object Identifier10.1109/TIE.2011.2123853Fig.1.Stator-PM alternator in1955[3].machine having magnets on the stator,nominated as stator-PMmachines,has re-emerged and has been developed,which canovercome the problems suffered by the rotor-PM counterparts.The purpose of this paper is to give an overview of thestator-PM machines.Thus,the state-of-the art technology ofthe stator-PM machines,including machine topologies,opera-tion principles,characteristics,control strategies,torque rippleminimization,and latest developments will be reviewed anddiscussed.II.C ONCEPTS OF S TATOR-PM M ACHINESThe idea of stator-PM machines can be traced back to1955when Rauch and Johnson proposed probably thefirst stator-PM topology,as shown in Fig.1[3],in which both the statortooth and rotor poles are salient so as to transfer thefluxescreated by the stator magnets from the stator to the rotoracross the air gap when the rotor poles face the stator teeth.Thus,the polarities of theflux linked in the coils in the statorreverse as the rotor aligns the alternative pair of stator teeth.However,due to the limitation of the magnet property at thattime,the stator-PM machines were overwhelmed by wound-field excitation machines,e.g.,synchronous and dc machines.Another origin of the stator-PM machine can be found fromthe well-known Law’s relay actuator shown in Fig.2[4].Inaddition,the doubly salient structure employed in electricalmachines can also originate from an induction-type generator,as shown in Fig.3[5],in which the stator assembly is a set ofpieces arranged in a cylinder laminated iron,with the armaturewindings wound.The special geometry allows the variation ofthe magnetflux that is linked into the“C”-shaped stator polepieces to induce electromotive force(EMF).0278-0046/$26.00©2011IEEEw’s relay actuator[4].Fig.3.Flux-switch“C”-segmented inductor alternator in1975[5]. Conceptually,stator-PM machines employ the polarized re-luctance principle,in which the torque and EMFs are the resultant from theflux-switching action of rotor saliencies on a unipolarflux produced by PMs in the stator,leading to an exceptionally simple and robust rotor structure.III.B ASIC T OPOLOGIES,P RINCIPLES,AND P ERFORMANCESBasically,there are three types of modern stator-PM ma-chines,namely,doubly salient PM(DSPM)machine[6],flux-reversal PM(FRPM)machine[7],andflux-switching PM (FSPM)machine[8],as shown in Fig.4.It should be noted that the operation principle and electromagnetic performance of the three machines are distinct,although they are all classified as stator-PM machines.A.DSPM MachineThe DSPM machine can be considered as a combination of switched-reluctance machine and stator magnets[6],in which the magnets are insetted in the stator back-iron and the con-centrated windings are employed,making the PMfluxes linked in the coils unipolar.Furthermore,by specifically designing the stator teeth and rotor pole arcs,the air-gap reluctance seen by magnets are invariant[9],and consequently,the PMflux-linkage linearly varies with the rotor position,as shown in Fig.5(a).Therefore,the ideal phase back-EMF waveform is trapezoidal,and the conventional brushless dc(BLDC)opera-tion mode can be adopted[10].On the other hand,a simple rotor-skewing method can be used[11],and a quasi-sinusoidal back EMF can be obtained. Consequently,the DSPM machine can also be run in the brushless ac(BLAC)mode,as shown in Fig.5(b).Fig.4.Re-emerged stator-PM machines.(a)DSPM machine.(b)FRPM machine[7].(c)FSPM machine[8].Fig.5.Operation principle of the DSPM machines.(a)Unskewed rotor.(b)Skewedrotor.Fig.6.Four/six-pole single-phase DSPM generator[12].Except for the three-phase six/four-pole(six-stator-teeth/ four-rotor-pole)topology,other feasible slot/pole combinations are presented,e.g.,one-phase four/six-pole[12](Fig.6),two-phase four/six-pole with dual stator[13](Fig.7),three-phaseCHENG et al.:OVERVIEW OF STATOR-PERMANENT MAGNET BRUSHLESS MACHINES5089Fig.7.Two-phase four/six-pole DSPM machine with dual stator[13].Fig.8.12/8-pole DSPM machine[14].Fig.9.Eight/six-pole DSPM machine [15].12/8-pole [14](Fig.8),and four-phase eight/six-pole configu-rations [15](Fig.9),revealing the different characteristics and the suitability for different applications.Additionally,power-dimension equations were derived analytically [16]–[18],which not only indicate that the output power is directly propor-tional to the ratio of the rotor poles to the stator teeth but also provide designers a practical way to make the initial calculation of the motor dimensions.In [19],a nonlinear varying-network magnetic circuit was built to analyze the electromagnetic per-formance of the DSPM machines more efficiently with enough accuracy.Moreover,a nonuniform air gap is employed to reduce the cogging torque [20].To regulate the uncontrollable PM flux and to extend the constant-power region,several schemes were proposed in [21](Fig.10),although some of them are some-what impractical in applications.Moreover,a new split-winding configuration was proposed,as shown in Fig.11[22].B.FRPM MachineThe FRPM machine has magnets located on the surface of the stator teeth and concentrated windings,as shown in Fig.12.Different from DSPM machines,the phase PM flux-linkage of an FRPM machine is bipolar,as shown in Fig.13.The BLDC operation mode is also suitable for the FRPM machines.Additionally,it is found that the FRPM machine exhibits fault-tolerance capability due to its natural isolation betweenphases,Fig.10.Schematic of the flux regulation in the DSPM machine [21].(a)By a movable magnetic shoring piece.(b)By moving magnets in the axial direction.(c)By a magnetic/nonmagneticcollar.Fig.11.Schematic of the split winding for a four-phase DSPM machine [22].and the variation of the inductances versus rotor position is small,which indicates that the reluctance torque is negligible [7].Similarly,the rotor-skewing method can also be used to improve the EMF waveform of a multipole FRPM machine to be more sinusoidal and to reduce the cogging torque for5090IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.58,NO.11,NOVEMBER2011Fig.12.Stator magnets and winding configuration of the FRPMmachine. Fig.13.Operation principle of the FRPM machines.(a)Unskewed rotor.(b)Skewedrotor.Fig.14.Different magnet configurations of the FRPM machines[24].(a)Pole-PMs on stator.(b)Inset-PMs on stator.an automotive generator[23]or low-speed servo drives,as shown in Fig.14[24],respectively.However,the induced-eddy-current losses in the magnets and the low power factor may be the subject of further work,as addressed in[25].In addition,the magnet thickness in the magnetized direction increases the effective air-gap length between the stator teeth and rotor poles.Therefore,the magnet thickness,as well as rotor pole arc,air-gap length,etc.,has significant effects on the electromagnetic performance of the FRPM machine.Hence, the optimal designs on various dimensions were investigated, e.g.,employing the concave stator poles and additionalflux barriers,as shown in Fig.15[26],as well as a rotor-teeth-pairing technique to reduce the cogging torque,as shown in Fig.16[27].Additionally,it is found that the PWM control modes have an important influence on the performance of the FRPM machine,as revealed in[28].In[29],a single-phase two/three-pole FRPM was proposed,and to solve the starting torque problem,the cogging torque was used as a solution by proposing a rotor with a tapered air-gap structure,as shown in Fig.17.Moreover,an axialflux and an outer-rotor FRPM machine were proposed in[30]and[31],respectively.Fig.15.Concave stator pole andflux barrier for the FRPM machines[26]. Fig.16.Rotor-teeth-pairing technique for the FRPM machines[27].Fig.17.Rotor structure with a tapered air gap of a single-phase two/three-pole FRPM machine[29].Fig.18.Prototype of a12/10-pole FSPM machine.(a)Configuration.(b)Prototyped motor.C.FSPM MachineAmong the three stator-PM machines,the stator configura-tion of the FSPM machine is relatively complex,as shown in Fig.18.The stator contains12segments of“U”-shaped mag-netic cores,between which12pieces of magnets are inset and magnetized circumferentially in alternative opposite directions [32].As shown in Fig.19,a concentrated coil is wound around the adjacent stator teeth with a magnet sandwiched.Hence,CHENG et al.:OVERVIEW OF STATOR-PERMANENT MAGNET BRUSHLESS MACHINES5091Fig.19.Stator magnet and winding configuration of the FSPMmachines.Fig.20.Coils and phase EMF waveforms of a12/10-pole FSPM machine[33].(a)Predicted.(b)Measured.the polarity of the PMflux linkage in the coil reverses when the rotor pole aligns the alternative stator tooth that belongs to the same phase,i.e.,realizing the“flux-switching”action. It should be emphasized that,due to the magnetic reluctance difference between the two pairs of coils composing a phase, the resultant phase EMF waveforms are essentially sinusoidal without any additional measures[33],which is also one of the outstanding advantages of the FSPM machine over the other two counterparts.In addition,it is found that the optimal rotor pole arc is1.4times that of the stator teeth arc,and the resultant phase EMF waveform exhibits negligible harmonics,as shown in Fig.20[33].The design procedure and a general power dimension equa-tion were derived analytically for the design of the FSPM machine with arbitrary slot/pole combinations in[34].In addi-tion,to predict electromagnetic performance with satisfied ac-curacy,a nonlinear adaptive lumped parameter magnetic circuit model,a magnetic network model considering saturation effect, an alternative technique based on the harmonic or Fourier model,and an analytical hybrid modeling technique combin-ing the advantages of the magnetic equivalent circuit and the Fourier analysis were proposed in[35]–[38],respectively.It should be noted that,due to the stator-PM configuration, the end-effect caused by the axialflux leakage is relatively serious,and the predictions from a conventional2-D model must be modified.Hence,a simple and effective method in investigating the end-effect on the stator-PM machine was proposed and verified by the experimental results[39],[40]. Moreover,a3-D lumped model was built to predict the per-formance in[41].Furthermore,the eddy current loss in the frame and magnets,iron loss,and proximity loss of the FSPM machine were analyzed in[42]and[43],respectively.The topology of the FSPM machine is not limited in the three-phase12/10-pole structure.Three-phase12/14-pole and 6/5-pole FSPM machines were investigated in[44]and[45] [Fig.21(a)]and[46][Fig.21(b)],respectively.In addition, eight/six-pole two-phase[47]and four/two-pole one-phase FSPM machines are shown in Fig.22,while the asymmetry rotor pole is employed to improve the start torque[48].Fig.23 shows thefive-phase FSPM machines[49].Fig.21.FSPM machines.(a)12/14-pole three phase[44].(b)Six/five-pole three phase[46].Fig.22.FSPM machines.(a)Eight/six-pole two phase[47].(b)Four/two-pole one phase[48].Fig.23.Five-phase FSPM machines[49].(a)All poles wound.(b)Alternator poles wound.5092IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.58,NO.11,NOVEMBER2011Fig.24.FSPM machines [50].(a)Conventional FSPM.(b)Alternator poles wound-1.(c)Alternator poles wound-2.(d)Alternator poleswound-3.Fig.25.Multitooth FSPM machines[52].Fig.26.Transverse flux FSPM machine [53].In addition,the combinations of stator and rotor pole num-bers,the winding connections,and the winding factors of the FSPM machines having all poles and alternate poles wound are analyzed in [50]and [51],as shown in Fig.24.The multitooth topologies of the FSPM machine are proposed and investigated in [52](Fig.25).Recently,a novel flux-switching transverse flux PM generator for low-speed wind power applications is proposed and analyzed by a 3-D finite element method [53],as shown in Fig.26.parison and SummaryThe comparisons between the three stator-PM machine them-selves and the stator-and rotor-PM machines have drawn a series of conclusions of significance [2],[54]–[58],which are summarized as follows.Similarities :1)Doubly salient structures are employed.2)The magnets are located on the stator,and conse-quently,the temperature rise of the magnets is much easier to control.3)The rotor is identical to that of an SR machine,namely,without windings or magnets,being mechan-ically robust,and able to operate at high speed.4)Concentrated windings are employed with shorter end parts,resulting in low copper consumption and winding resistance.Therefore,the stator-PM ma-chines are of high efficiency compared with the con-ventional overlapping winding machines.5)The electromagnetic torque is dominated by the PM excited torque,and the average reluctance torque is negligible.Differences :1)Due to different configurations of magnets,stator poles,and windings,the phase flux linkage in both FRPM and FSPM machines is bipolar,while in a DSPM machine,it is unipolar.2)The EMF per turn and the torque capability of an FSPM machine are significantly higher than those of the FRPM and DSPM machines due to the flux-concentration effect.3)The waveforms of the flux linkage and EMF of an FSPM machine are essentially sinusoidal with unskewed rotor,while in the DSPM and FRPM machines,they are more trapezoidal.Therefore,the DSPM and FRPM machines are more suitable for the BLDC drive,and an FSPM machine is more suitable for the BLAC drive.4)Due to flux concentration,flux switching,and smaller overlapping areas between the stator and rotor teeth in an FSPM machine,the magnetic saturation level in the teeth of the stator and rotor is very high,and it can reach 2.5T.Thus,the air-gap flux density in the FSPM machine can exceed 2.2T [57].5)In the FSPM machine,the coils are wound over two stator teeth between which one magnet is inset,while in the DSPM and FRPM machines,the coils are wound on each stator tooth.Hence,the end winding in an FSPM machine is slightly longer,while the amount of magnet materials is significantly higher.However,since the stator winding is concentrated,it is still significantly shorter than that in a conventional overlapping winding PM machine.In addition,flux concentrating can be utilized,and a low-cost magnet material,such as ferrite,can be used in an FSPM machine.CHENG et al.:OVERVIEW OF STATOR-PERMANENT MAGNET BRUSHLESS MACHINES 5093TABLE IQ UALITATIVE C OMPARISON OF THE T HREE S TATOR -PM MACHINES6)Among the three typical stator-PM topologies,the FSPM machine exhibits the highest torque capability and power density as revealed in [54],in which the electromagnetic torque of the FSPM machine is about 1.6times that of the DSPM machine under the same peak currents.However,the torque per magnets of the FRPM machine is higher than that of the FSPM machine [55].In addition,the cogging torque of the FSPM machine is the highest due to the flux-concentrated effect.7)In terms of demagnetization of the PM for the three stator-PM machines,briefly,the FRPM machine ex-hibits the weakest withstanding capability since the magnets are mounted on the stator teeth,and con-sequently,the MMF due to the armature currents is in series with that of the magnets,whereas for the FSPM and DSPM machines,since the armature reaction flux does not pass through the magnets,the irreversible demagnetization withstand capability is high,which makes it particularly suitable for flux-weakening operations.Table I summarizes the qualitative comparison among the key issues of the three stator-PM machines.IV .B ASIC C ONTROL S TRATEGIESThere are basically two types of operation modes for the stator-PM motor drives,namely,BLDC operation for the ma-chines with trapezoidal back EMF and BLAC operation for the machines with sinusoidal back EMF.In the BLDC operation,the control strategy of the stator-PM motor drive consists of two basic schemes,namely,current chopping control (CCC)and angle position control (APC),for constant-torque operation at speeds below the base speed and constant-power operation at speeds above the base speed,respectively,which are similar to those in an SR machine.Fig.27shows the typical current waveforms of an eight/six-pole DSPM motor [22].In the BLAC operation,field orientation control,i.e.,vector control,may be applicable to the stator-PM motor drive [59].Moreover,the current-hysteresis PWM,voltage space-vector PWM,and flux-weakening control were also adopted in the FSPM motor drives,respectively [60]–[62].Fig.28showstheFig.27.Typical current waveforms of a DSPM machine at the BLDC operation.(a)CCC mode.(b)APCmode.Fig.28.Measured current waveform of an FSPM machine at the BLACoperation.Fig.29.Stator interior PM topology [63].(a)Cross section.(b)Prototype.measured current waveform of an FSPM motor drive under vector control,showing a good sinusoidal phase current.V .T ORQUE R IPPLE M INIMIZATIONOwing to the nature of salient poles in both stator and rotor,the stator-PM machines suffer from higher torque ripple than traditional rotor-PM machines.Hence,different measures have been developed to minimize torque ripple in stator-PM machines.A.Improved Machine TopologyTo minimize the torque ripple,a modified topology (namely,the stator interior PM machine)was proposed,as shown in Fig.29,in which the conventional stator tooth shoe is employed and the magnets are inset [63].The predicted and experimen-tal results verify that the cogging torque can be significantly reduced.In addition,due to the simple rotor structure,the dummy slots can also be introduced to reduce the cogging torque,as shown in Fig.30for an FSPM machine [64].5094IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.58,NO.11,NOVEMBER2011Fig.30.Rotor dummy slots in the FSPM machine.(a)Rotor topology with dummy slots.(b)Comparison of the cogging torque with and without dummyslots.Fig.31.Measured torque and current waveforms (25ms/div,2.2Nm/div,and 3.33A/div).(a)Unoptimized.(b)Optimizedcontrol.Fig.32.Measured torque (upper trace)and current (lower trace)waveforms (5ms/div,2Nm/div,and 2.4A/div).(a)V oltage space-vector PWM.(b)Proposed method.B.Conduction Angle ControlIn [65],the genetic algorithm was used to optimize the conduction angle proposed for the DSPM motor.Fig.31shows the torque and current waveforms.The torque ripple factor is re-duced from 81%to 21%by using the proposed control method.C.Harmonic Current Injection ControlIn [66]and [67],a new harmonic current injection method was proposed to minimize the torque ripple of the DSPM and FSPM motors,respectively.In [67],based on the harmonic spectrum analysis of the cogging torque,a series of specific harmonic currents is added into the q -axis reference current,resulting in additional torque components to counteract the fundamental and second-order harmonic components of the cogging torque.Both simulations and experiments confirmed the effectiveness of the proposed method.Fig.32shows the measured torque and current waveforms.It can be seen that the proposed harmonic current injection method can reduce the torque ripple by 50%as compared to the voltage space-vector PWMmethod.Fig.33.12/8-pole SDFDS machine.(a)Configuration.(b)Prototype[68].Fig.34.Six/four-pole HEDSPM machine.(a)Using ferrite magnets [69].(b)Using NdFeB magnets [70].VI.E MERGING T RENDSIn addition to the achievements earlier,new developments have been achieved on the stator-PM machines recently.A.Wound-Field and Hybrid-Excitation StructuresAlthough the stator-PM machines offer unique advantages,they cannot maintain a high efficiency or a constant output voltage over a wide speed range due to an uncontrollable PM flux,which are crucial for some applications such as electric vehicles (EVs).To enable flux control,the idea of stator dou-bly fed doubly salient (SDFDS)machine was proposed [68],in which the dc field windings replace the PMs to facilitate flux control and online efficiency optimization.Fig.33shows the configuration and prototype of the SDFDS machine.The efficiency of the machine can be improved by about 10%by online efficiency optimizing.Nevertheless,the SDFDS machine inevitably produces the extra loss in field windings,hence degrading machine effi-ciency.To incorporate both magnets and dc field windings,hybrid excited DSPM (HEDSPM)machines were proposed in [69]–[72](Figs.34–36),in which the dc field windings work forCHENG et al.:OVERVIEW OF STATOR-PERMANENT MAGNET BRUSHLESS MACHINES5095Fig.35.12/8-pole HEDSPM machine.(a)Cross section.(b)Efficiency–speed characteristic[71].Fig.36.Parallel configuration of an HEDSPM machine[72].Fig.37.Field-excitationflux-switching machine[73].flux control and efficiency optimization.The starting response can be improved by supplying a positive dcfield current to strengthen theflux,while the constant-power operating range can be extended by supplying a negative dcfield current to weaken theflux.In addition,a three-phase wound-fieldflux-switching ma-chine was proposed in[73](Fig.37).Recently,novel hybrid-excitationflux-switching(HEFS)machines were proposed in [74]–[76],in which thefield windings are accommodated in the room saved by the reduction of the magnets in the original FSPM machine.As stated in[75],the HEFS machine(Fig.38) exhibits excellentflux-regulation capability,in which the PM flux can be strengthened to twice that of the pure-PM topology and can be weakened to almost zero,indicating an infinite constant-power range.B.Redundant and Fault-Tolerant StructureIn some applications such as steering and fuel pumps,where a continuous operation must be ensured,reliability may be a critical requirement.Therefore,the need for a high degree of reliability in a motor drive system has inspired much researchin Fig.38.Configurations of the HEFS motor[75].Fig.39.Measured torque(trace1)and coil-B1and coil-C1current (traces2–3)waveforms before and after coil-A1fault(10ms/div,3Nm/div, and6A/div).the area.To achieve high reliability,redundant or conservative design techniques have been employed in many motor drives. Because of the magnetic independence between motor phases and the circuit independence of the converter phases,the stator-PM motor drives inherently possess a fault-tolerant character-istic.To improve the performance of the stator-PM motor drive with an open-circuited fault,fault compensation strategies were proposed[77],[78].Fig.39shows the measured torque and healthy-coil current waveforms during the fault occurrence of an FSPM machine under fault-tolerant control.It can be seen that the average torque can be maintained almost the same by controlling the current in the healthy coils when an open-circuit fault occurs in one coil.Moreover,redundant stator-PM topologies were proposed to improve the fault-tolerant capabil-ity,especially in the vehicle motor drives,as shown in Fig.40 [79].In[80],a novelfive-phase fault-tolerant doubly salient electromagnetic generator for directly driven wind turbine was proposed,as shown in Fig.41.5096IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.58,NO.11,NOVEMBER2011Fig.40.Redundant stator-PM motor topologies.(a)Redundant DSPM motor.(b)Redundant FSPMmotor.Fig.41.Redundant stator-PM motor topologies [80].C.Memory PM Machine TopologyAlthough the dc field winding in both SDFDS motor and hybrid excited stator-PM motors enables the controllable air-gap flux,the use of dc field current inevitably causes additional power loss and degrades the efficiency.With the advent of the memory motors,the magnetization of PMs becomes online tunable.Hence,the concept of online-tunable flux-memory PMs was incorporated into the DSPM motor in such a way that the resulting flux-memory DSPM motor can offer an effective and efficient air-gap flux control [81].As shown in Fig.42(a),the memory DSPM motor adopts two-layer inner stator and outer rotor.In the stator,the armature windings are located in the outer layer,while both the PMs and magnetizing windings are placed in the inner layer,hence achieving a compact struc-ture.Since the outer rotor is simply composed of salient poles without PMs or windings,it is very robust.The PM material used in the motor is an aluminum nickel cobalt (AlNiCo)alloy.Fig.42(b)shows the measured back-EMF waveforms at different magnetization levels.It can be found that the back EMF can be effectively controlled for over four times.Due to the direct magnetization of PMs by a temporary current pulse in the magnetizing windings,the flux control is highly effective and highly efficient.D.Linear PM Machine TopologyThe linear PM motor is widely used because of its rapid dynamic response,high efficiency,and high power density.However,for long-stator applications such as underground traindrive systems,either the magnets or the armature windings,which are both expensive,have to be set on the stator.Recently,linear primary-PM machines,including the linear DSPM (LDSPM)and linear FSPM (LFSPM)types,have been pro-posed,which incorporate all of the merits of the rotary stator-PM machines.In [82]–[84],LFSPM machines were proposed,designed,and analyzed,such as feasible slot–pole number combinations and alternative stator winding configuration.In [85],a new structure of the LDSPM (Fig.43)was proposed and compared with the basic one.Three additional teeth and one piece of magnet are set at each end part of the two motors in order to reduce the end effect.The results show that the proposed method can avoid the asymmetry of the back-EMF waveforms and can reduce the cogging force and thrust force ripple,as shown in Fig.44.E.Advanced ControlDue to its strong nonlinear characteristics,the stator-PM mo-tors may not be exactly modeled.Hence,it is difficult to achieve high speed and torque performances by using the traditional control algorithm.Thus,some advanced control algorithms,such as sensorless control,vector control,and online efficiency optimization control,have been developed for the stator-PM machines.1)Position Sensorless Control:Similar to rotor-PM motor control,to turn on or off the phase windings at the spe-cific rotor positions,the rotor position information,which is traditionally measured by a physical sensor,is indispensable for the proper operation of the stator-PM motor.In order to avoid some difficulties resulting from the traditional sensor control method,the sensorless control of a DSPM motor drive was implemented [86].Detecting the induced back-EMF zero-crossing of unexcited winding was adopted.Fig.45shows the comparison of the position signals by physical sensor and by detecting circuits,illustrating that the real position signal lags behind the zero-crossing of the back EMF.Fig.46compares the speed rising process from standstill to the rated speed of 1500r/min between sensor and sensorless controls,showing that the DSPM motor drive with sensorless control offers almost the same performance as that with sensor control.To start the motor in sensorless control,the so-called “three-step startup。

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