永磁无刷直流电机简介
对永磁无刷直流电机和开关磁阻电机的理解

对永磁无刷直流电机和开关磁阻电机的理解一、永磁无刷直流电动机(1)、简介直流电动机虽然起动和调速性能好,堵转转矩大,但是直流电动机具有电刷和换向器组成的机械换向装置,其间的滑动接触严重影响了电机的精度和可靠性,缩短电机寿命,需要经常维,产生的火花会引起无线电干扰,并且电刷换向装置又使直流电机变得结构复杂,工作噪声大。
在微电子技术、电力电子技术和电机控制技术日趋成熟的基础上,人们应用高性能永磁材料创造出了无接触式换向的直流电机,我们称之为永磁无刷直流电机。
(2)、基本结构永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和功率电子开关三部分组成。
直流电源通过电子开关向电动机定子绕组供电,由位置传感器检测电动机转子位置并发出电信号去控制功率电子开关的导通和关断,使电动机转动。
(3)、工作原理以下举一相导通星形三相三状态的例子说明。
一相导通星形三相三状态永磁无刷直流电动机三只光电位置传感器H1、H2、H3在空间对称均布,遮光圆盘与电机转子同轴安装,调整圆盘缺口与转子磁极的相对位置使缺口边沿位置与转子磁极的空间位置相对应。
缺口位置使光电传感器H1受光而输出高电平,功率开关管VT1导通,电流流入A相绕组,形成位于A相绕组轴线上的电枢磁动势Fa,Fa顺时针方向超前于转子磁动势Ff150°电角度。
Fa与Ff相互作用拖动转子顺时针旋转,当转子转过120°电角度时,与转子同轴安装的圆盘转到使光电传感器H2受光、H1遮光,功率开关管VT1关断、VT2导通,A相绕组断开,电流流入B相绕组,电流换相。
电枢磁动势变为Fb,Fb在顺时针方向继续领先转子磁势Ff150°电角度,两者相互作用,又驱动转子顺时针方向旋转。
当转子磁极转到240°时,电枢电流从B相换流到C相,产生的电磁转矩继续使电机转子旋转,直至重新回到起始位置,完成一个循环。
(4)、控制方法永磁无刷直流电动机的控制方法,按有无转子位置传感器,可分为有位置传感器控制和无位置传感器控制。
永磁电机4-永磁无刷直流电机2013
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ua R u 0 b 0 uc
定子 相电 压
0 ia L i M R 0 b 0 R M ic 0
定子 相电 流 两相 绕组 互感
M L M
相绕 组自 感
M ia ea i e M p b b L ic ec
ua R u 0 b 0 uc 0 R 0 0 ia L M i 0 0 b R 0 ic 0 LM 0 ia ea i e 0 p b b LM ic ec 0
11.1 电磁因素引起的转矩脉动
第二讲永磁无刷直流电机
11.1 电磁因素引起的转矩脉动
第二讲永磁无刷直流电机
11.1 电磁因素引起的转矩脉动
第二讲永磁无刷直流电机
11.1 电磁因素引起的转矩脉动
第二讲永磁无刷直流电机
11.1 电磁因素引起的转矩脉动
反应了电磁转矩波动与方波磁密宽度的关系, 随宽度增加,转矩脉动单调下降。 当宽度=120时,转短脉动最大,达到30%; 当宽度=180时,电磁转矩脉动为零
第二讲永磁无刷直流电机
6.永磁无刷电机的稳态计算
第二讲永磁无刷直流电机
6.永磁无刷电机的稳态计算
第二讲永磁无刷直流电机
6.永磁无刷电机的稳态计算
第二讲永磁无刷直流电机
6.永磁无刷电机的稳态计算
第二讲永磁无刷直流电机
6.永磁无刷电机的稳态计算
第二讲永磁无刷直流电机
7.永磁无刷直流电动机主要波形
第二讲永磁无刷直流电机
永磁无刷电机工作原理
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永磁无刷电机工作原理
永磁无刷电机是一种基于永磁体和电磁感应原理工作的电机。
它与传统的有刷直流电机相比,不需要用刷子和换向器来实现换向,从而简化了结构,提高了效率。
下面将介绍永磁无刷电机的工作原理。
1. 永磁体:永磁无刷电机中的永磁体通常采用稀土磁体,例如钕铁硼磁体。
这些永磁体具有较高的磁能积和剩余磁感应强度,能够提供强大的磁场。
2. 电磁线圈:永磁无刷电机中的转子周围有若干个电磁线圈,被称为定子线圈。
当电流通过定子线圈时,会产生磁场。
3. 动态转子:动态转子由绕组和永磁体组成。
当定子线圈通电时,产生的磁场会与永磁体的磁场相互作用,从而使转子受到力矩的作用旋转。
4. 磁极位置探测:永磁无刷电机中需要检测转子的位置,并根据转子位置来控制电流的流向。
通常使用霍尔传感器或编码器来检测转子的位置。
5. 电子换向器:根据转子的位置信号,电子换向器可以实时地控制定子线圈的通断,使电流按照正确的方向流动。
这样,定子线圈的磁场就能够随着转子位置的变化而转动,从而推动转子旋转。
综上所述,永磁无刷电机的工作原理是利用定子线圈产生的磁
场与永磁体的磁场相互作用,从而产生力矩驱动转子旋转。
通过电子换向器控制定子线圈的通断,实现正常的电流流动方向。
这种无刷电机具有结构简单、效率高、维护方便等优点,在许多应用中得到广泛应用。
永磁无刷直流电机简介
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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
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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。
永磁无刷电机电流计算公式
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永磁无刷电机电流计算公式永磁无刷电机是一种采用永磁体作为励磁源的无刷直流电机,它具有结构简单、效率高、噪音小等优点,因此在工业和家用电器中得到了广泛应用。
在永磁无刷电机的设计和应用过程中,电流计算是一个重要的工作,它可以帮助工程师们确定电机的工作状态和性能参数,为电机的优化设计和控制提供重要参考。
本文将介绍永磁无刷电机电流计算的公式及其应用。
永磁无刷电机的电流计算涉及到电机的电磁特性、电气特性和机械特性等多个方面,其中最基本的是电机的电磁特性。
在电机工作时,电流是由电压和电阻决定的,而电机的电阻是固定的,因此电机的电流主要取决于电压。
在永磁无刷电机中,电机的电磁特性可以用下面的公式来描述:U = E + I R。
其中,U为电机的输入电压,E为电机的电动势,I为电机的电流,R为电机的电阻。
根据这个公式,可以得到永磁无刷电机的电流计算公式:I = (U E) / R。
在这个公式中,如果已知电机的输入电压和电阻,就可以通过测量电机的电动势来计算电机的电流。
电动势是电机的一个重要参数,它可以反映电机的磁场强度和转动状态。
在永磁无刷电机中,电动势可以用下面的公式来计算:E = K ω。
其中,K为电机的电动势常数,ω为电机的转速。
根据这个公式,可以得到永磁无刷电机的电流计算公式的另一种形式:I = (U K ω) / R。
这个公式表明,永磁无刷电机的电流不仅取决于电机的输入电压和电阻,还取决于电机的电动势常数和转速。
因此,在实际应用中,需要对这些参数进行准确测量和计算,以确保电机的正常工作和高效运行。
除了上述的基本电流计算公式外,还有一些其他因素也会影响永磁无刷电机的电流,例如电机的负载特性、控制方式、温度等。
在实际应用中,需要综合考虑这些因素,通过实验和仿真等手段来确定电机的电流计算公式,以指导电机的设计和控制。
总之,永磁无刷电机的电流计算是一个复杂而重要的工作,它涉及到电机的多个方面,需要对电机的电磁特性、电气特性和机械特性等进行全面分析和计算。
BLDC_Motor稀土永磁无刷直流电动机
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无刷直流电动机永磁转子
1-负载特性曲线 2-永磁体低温退磁曲线 3-永磁体高温退磁曲线
低消耗温工作点
Φ Φr
1
A
Φ r'
2
3
高温工作点
B
发明了应用晶体管代替机械换向器的无 刷直流电动机,但当时没有电机转子位
置检测器件,该电机没有起动能力。
24
无刷直流电动机发展历史
█
1962年,人们使用霍尔元件来检测
转子位置并控制绕组电流换相,无刷直 流电动机达到实用化,但受到晶体管容
量的限制,电机容量相对较小。
25
无刷直流电动机发展历史
三大技术有力推动了永磁无刷 直流电动机的快速发展
68
无刷直流电动机控制器
█ 驱动电路作用
将控制电路的输出信号进行功率放大,
并向各功率开关管送去能使其饱和导通和
可靠关断的驱动信号。
69
无刷直流电动机控制器
█
驱动电路
美国IR公司生产的六路集成驱动芯片
(如 IR2130),具有集成度高、速度快、
过流欠压保护、 开关频率高、 价格便宜、
调试方便等优点。
换了位置。
46
无刷与有刷直流电动机比较
█ 通常 BLDCM 带有转子位置检 测传感器,而 DCM 则不需这种位
置检测装置。
47
无刷直流电动机概述
4. 无刷直流电动机 的特点
48
无刷直流电动机主要特点
█
永磁无刷结构
电机免维护,可高速运行,因此
可降低电机体积和重量,具有高功率 和转矩密度和高效率。
27 3 q 30 3 10
外转子结构稀土永磁无刷直流电动机
37
无刷直流电机(BLDC)构成及工作原理详解(附部分生产厂家)
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书山有路勤为径;学海无涯苦作舟
无刷直流电机(BLDC)构成及工作原理详解(附部
分生产厂家)
无刷直流电机(BLDC)是永磁式同步电机的一种,而并不是真正的直流电机,英文简称BLDC。
区别于有刷直流电机,无刷直流电机不使用机械的电刷装置,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料,性能上相较一般的传统直流电机有很大优势,是当今最理想的调速电机。
一、有刷直流电机简介
介绍无刷直流电机之前,我们来看看有刷电机:
直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点着称,其中属于直流电机
一类的有刷直流电机采用机械换向器,使得驱动方法简单,其模型示意图如下图所示。
直流电机模型示意图
DC电机(有刷电机)的运转示意图
电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子(电枢)、换
向器和电刷等构成。
只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流,电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向,这样,直流电机的转子就会持续运转下去。
专注下一代成长,为了孩子。
有刷和无刷永磁直流电机的区别

有刷和无刷永磁直流电机的主要区别在于永磁有刷直流电机的励磁绕组用永磁铁代替的。
下面具体讲解下。
永磁无刷直流电动机:是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机,其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似,可以由改变电枢电压来方便地调速。
与他励式直流电动机相比,具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点,是小功率直流电动机的主要类型。
永磁有刷直流电机:有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷,转子上安装有电枢绕组和换向器。
直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组,产生电枢电流,电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩,使电机旋转带动负载。
由于电刷和换向器的存在,有刷电机的结构复杂,可靠性差,故障多,维护工作量大,寿命短,换向火花易产生电磁干扰。
论电机在汽车中的应用
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论电机在汽车中的应用作者:张艺越来源:《山东工业技术》2019年第03期摘要:电机是指通过电磁感应将电能转化成其他形式能量的一种装置。
电机的发明不仅仅实现了简单的代替人力的作用,更是使人类的生产方式以及生产效率有了质的飞跃。
现如今,电机的应用已经普及,电机分为直流电机,电磁电机以及永磁式电机。
本文中阐述一下永磁无刷直流电机在汽车中的应用与选择。
关键词:永磁无刷直流电机;汽车;系统应用1 永磁无刷直流电机简述1.1 永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机,其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似,可以由改变电枢电压来方便地调速。
与他励式直流电动机相比,具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点,是小功率直流电动机的主要类型电流的他励直流电动机相似,可以由改变电枢电压来方便地调速。
与他励式直流电动机相比,具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点,是小功率直流电动机的主要类型。
1.2 选用永磁无刷直流电机的原因无刷直流电机(BLDCM)是具有定子(电枢)绕组和永磁(PM)或凸极软铁转子结构的新型电机,具有大转矩、高效率、控制简单、易维护等优点。
随着电力电子技术、永磁材料及新型控制理论的发展,永磁无刷直流电机在高性能的伺服驱动领域具有广阔的应用前景。
与复杂的直流电机相比,它具有结构简单、损耗小、效率高等优点。
与异步电动机相比,它具有效率高,输出功率高,力矩惯量比大,定子电流消耗低、定子电阻损耗小,且控制性能好等优点;但它与异步电机相比,也有成本高、起动困难等缺点。
和普通同步电动机相比,它省去了励磁装置,简化了结构,提高了效率。
永磁同步电机还可以实现定位控制,所以现在永磁式无刷电机可以很可靠的应用,所以在零件复杂的汽车中,能够可靠运行的电机显得尤其重要,综合永磁电机以及无刷直流电机的优点来考虑,自然要选择永磁无刷直流电机。
2 电机在汽车中的应用2.1 电机在汽车控制系统的应用2.1.1 电机在助力转向系统中的应用汽车电动助力转向系统是一个依靠辅助力矩的动力转向辅助系统,而不是直接控制汽车的转向。
永磁无刷直流电机设计实例

永磁无刷直流电机设计实例永磁无刷直流电机(Brushless DC Motor,BLDC)是一种形式先进的电机,具有高效率、长寿命、高功率密度、高控制精度等优点,已广泛应用于机床、机器人、电动工具等领域。
在本文中,我们将介绍永磁无刷直流电机的设计实例。
1. 电机参数计算在进行永磁无刷直流电机设计之前,首先需要计算出电机的一些参数,包括额定功率、额定转速、额定电压、额定电流等。
这些参数将作为电机设计的基础。
1.1 标称功率Pn = Tmax × ωnPn 为电机标称功率,Tmax 为电机最大扭矩,ωn 为电机额定转速。
1.2 额定转速永磁无刷直流电机的额定转速通常由应用需求决定。
对于电动工具来说,需要较高的额定转速,而对于机床来说,需要较低的额定转速。
通常情况下,可以根据应用的要求来选择适当的额定转速。
永磁无刷直流电机的额定电压通常由电源系统决定。
通常情况下,可以选择电压稳定器或直流电源来提供稳定的电压。
根据实际需求和电源系统的限制,可以确定电机的额定电压。
2. 永磁体设计永磁体是永磁无刷直流电机中最重要的组件之一,其设计将直接影响电机的性能。
永磁体的设计包括永磁体的形状、尺寸以及选用的材料。
2.1 形状与尺寸永磁体的形状和尺寸对电机的输出特性有着重要的影响。
通常情况下,可以选择方形、圆形、椭圆形等形状,并根据电机设计参数计算出永磁体的尺寸。
2.2 材料选择永磁体选用的材料决定了电机的性能。
目前常用的永磁体材料有 NdFeB、SmCo、AlNiCo 等。
不同的永磁体材料具有不同的磁性能、机械性能和耐温性能,应根据实际应用需求进行选择。
3. 绕组设计绕组是永磁无刷直流电机中的另一个关键组件,在电机的输出特性和效率上起着重要作用。
绕组的设计涉及到绕组的形状、导线直径、匝数和线材材料等方面。
绕组的形状通常与永磁体相对应,可以根据永磁体的形状来确定绕组的形状。
3.2 导线直径导线直径直接影响到电机的电阻和电感,对电机的输出特性和效率有着重要影响。
无刷直流电动机简介和基本工作原理

无刷直流电动机简介和基本工作原理无刷直流电动机简介直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。
是将交流电源整流后变成直流,再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。
无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。
无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性,更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。
基本工作原理无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。
同步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。
而转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。
驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置,所以不论转子的起始位置处在何处,电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩,因此转子上不需另设启动绕组。
由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直,在铁芯不饱和的情况下,产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比,这正是他励直流电动机的电流—转矩特性。
永磁无刷直流电动机

对于情形①:U=4E,T保持恒定 对于情形②: U<4E,T减少 对于情形②: U>4E,T增加
在非换向时,即每个导通状态内,电机的电磁转矩为
当U<4E时:
换向转矩脉动为:
当U>4E时:
换向转矩脉动为:
结论
1、换向转矩脉动决定于绕组反电势,也就是电机 的转速,而与电枢稳态电流无关。
2、当转速很低或堵转时,E0,T=50%; 3、当转速很高时,U=2E ,T=-50%; 4、当转速满足时,U=4E , T=0。
2)ia降为零时,ib还未达到稳态值I
令ia(tf)=0,得ia降为零的时间tf 此时
所以情况2发生的条件:U<4E
换相电流变化曲线
3)ib达到稳态值I时,ia还未降为零 发生条件: U>4E
换相电流变化曲线
4-3 不同换相过程中转矩的脉动
换相过程中的电磁转矩:
因ia十ib十ic=0,则有:
换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比
无刷直流电机电动势公式与直流电机相似
2.电枢电流
电压平衡方程式:
电源电压
开关管的饱 和管压降
电枢电流为:
电阻压降
3. 电磁转矩
所以: Tem=CTIa
结论
无刷直流电机转矩公式与直流电机相似
2-2 三相永磁无刷直流电动机数学模型
三相绕组的电压平衡方程为
组 电 压
定 子 相 绕
组 电 流
定 子 相 绕
假设不考虑定子绕组电阻、并令LM=L一M,则上 式变为:
电机各相绕组具有梯形波反电势,其平顶波宽大
于120o电角度,幅值大小相等,因而有:
相电势
续流回路: BC相回路:
永磁直流无刷电动机的结构详解
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永磁直流无刷电动机的结构详解永磁无刷电动机可以看作是一台用电子换相装置取代机械换向的直流电动机,如图3 -16所示,永磁直流无刷电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。
无论是结构或控制方式,永磁直流无刷电动机与传统的直流电动轿车电机都有很多相似之处:用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极;用具有多相绕组的定子取代电枢;用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。
1.电动机本体电动机本体和永磁同步电动机(PMSM)相似,转子采用永久磁铁,目前多使用稀土永磁材料,但没有笼式绕组和其他启动装置。
其定子绕组采用交流绕组形式,一般制成多相(三相、四相或五相),转子由永久磁钢按一定极对数(2P=2,4,6)组成。
设计中要求在定子绕组中获得顶宽为1 200的梯形波,因此绕组形式往往采用整距、集中或接近整距、集中的形式,以便保留磁密中的其他谐波。
有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组,而无刷纯电动汽车直流电动机是依靠电子换向器将方波电流(由于绕组电感的作用?实际上也是梯形波)按一定的相序逐次输入到定子的各相电枢绕组中。
当无刷直流电动机定子绕组的某相通电时,该相电流产生的磁场与转子永久磁铁所产生的磁场相互作用而产生转矩,驱动转子旋转。
位置传感器将转子磁铁位置变换成电信号去控制电子开关线路,从而使定子的各相绕组按一定的次序导通,使定子的相电流随转子位置的变化而按正确的次序换相。
这样才能让定子磁场随转子的旋转不断地变化,产生与转子转速同步的旋转磁场,并使定子磁场与转子的磁场始终保持900左右的空间角,用最大转矩推动转子旋转。
由于电子升关线路的导通次序与转子转角同步,起到机械换向器的换向作用,保证了电动机在运行过程中定子与转子的磁场始终保持基本垂直,以提高运行效率。
所以无刷直流电动机就其基本结构而言,可以认为是一台由电子开关换相电路、永磁式同步电动汽车电机以及位置传。
永磁无刷直流电机的设计
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永磁无刷直流电机的设计摘要:永磁无刷直流电机是一种新型电机,其特点是不需要传统的机械电刷,因此在家用电器等领域得到广泛运用。
其简单结构、高可靠性和高效率使其备受青睐。
关键词:永磁无刷直流电机;设计虽然其工作原理与传统的电磁式直流电机相似,但借助高性能的永磁材料和电子控制技术,这种电机在单位体积内能提供较高的转矩,同时转矩惯性比较小,启动时的转矩也很大,此外,其调速特性也相当优越。
因此,在家用电器领域,永磁无刷直流电机得以广泛应用。
1.永磁无刷直流电机的主要特点和应用1.1永磁无刷直流电机的主要特点(1) 由于无电火花和磨损问题,永磁无刷直流电机拥有卓越的工作寿命和高度可靠性。
(2) 其低转动惯量和高转矩惯量比使其具有出色的响应速度。
(3) 通过永磁体产生的气隙磁场,使得电机的效率和功率因数保持在高水平,且发热主要分布在定子上,便于热量散发。
(4) 虽然与有刷直流电机相比略微成本较高,但与异步电机相比,其控制性能卓越。
1.2永磁无刷直流电机的主要应用目前,不断扩大的市场需求迅速推动了永磁无刷直流电机的蓬勃发展。
自上世纪90年代起,随着科技的不断进步,永磁材料的性能得到了显著提升。
尤其以钕铁硼等第三代永磁材料为代表,不仅在耐腐蚀性方面有了巨大突破,其在高温环境下的稳定性也得到了显著提升,同时生产成本也在逐步降低。
许多高校和制造单位都在永磁无刷直流电机的研发中投入了大量资源,为其发展注入了新的活力。
永磁无刷直流电机的功率范围广泛,从毫瓦级到数十千瓦级不等,为用户提供了多样的选择。
2.无刷直流电机的结构及工作原理2.1无刷直流电机的基本结构无刷直流电机的基本组成结构包括电机本体、转子位置传感器和电子换相电路,具体如图2.1所示。
图2.1永磁无刷直流电机系统的组成结构示意图无刷直流电机的结构类似于永磁同步电机,其核心部分是电机本体,是实现机电能量转换的核心。
因此,其设计在确保整个系统可靠运行方面具有关键性作用。
无刷直流电机矢量控制技术
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无刷直流电机矢量控制技术一、引言无刷直流电机(BLDC)在工业生产和家用电器中都有广泛应用,而矢量控制技术是BLDC控制的重要方法之一。
本文将详细介绍无刷直流电机矢量控制技术的原理、实现方法以及应用场景。
二、无刷直流电机简介无刷直流电机是一种基于永磁体和交变电源的转子驱动器,其结构与传统的有刷直流电机不同。
BLDC具有高效、低噪音、长寿命等优点,在许多领域都有广泛应用。
三、矢量控制原理矢量控制是一种高级的BLDC控制方法,它充分利用了BLDC结构中的永磁体,通过对永磁体和转子位置进行精确测量和计算,实现对转子位置和速度的精确控制。
1. 空间矢量理论空间矢量理论是BLDC矢量控制中最基本的理论之一。
它将三相交流信号表示成一个旋转向量,在不同时间点上旋转不同角度,从而实现对BLDC驱动器输出信号的精确调节。
2. 磁场定向控制磁场定向控制是BLDC矢量控制中的另一个重要理论。
它通过对BLDC中的永磁体和转子位置进行精确测量和计算,实现对转子位置和速度的精确控制。
四、矢量控制实现方法BLDC矢量控制有多种实现方法,其中最常见的是基于DSP芯片的数字式矢量控制。
下面将介绍数字式矢量控制的实现方法。
1. 传感器信号采集数字式矢量控制需要采集BLDC驱动器中的多个信号,包括电流、电压、角度等。
这些信号需要通过传感器进行采集,并通过AD转换器将模拟信号转换为数字信号。
2. 控制算法设计数字式矢量控制需要设计一套高效稳定的控制算法,以实现对BLDC 驱动器输出信号的精确调节。
这些算法包括PID算法、FOC算法等。
3. DSP芯片编程DSP芯片是数字式矢量控制中最重要的组成部分之一。
它需要编写相应的程序代码,以实现对BLDC驱动器输出信号的精确调节。
五、应用场景BLDC矢量控制技术在许多领域都有广泛应用,包括工业生产、家用电器、电动车等。
下面将介绍BLDC矢量控制在电动车中的应用。
1. 电动车驱动系统BLDC矢量控制技术可以应用于电动车驱动系统中,通过对BLDC驱动器输出信号的精确调节,实现对电动车速度和转向的精确控制。
无刷直流电机(BLDC)原理详解
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无刷直流电机(或简称BLDC电机)是一种采用直流电源并通过外部电机控制器控制实现电子换向的电机。
不同于有刷电机,BLDC 电机依靠外部控制器来实现换向。
简言之,换向就是切换电机各相中的电流以产生运动的过程。
有刷电机是指具有物理电刷的电机,其每转一次可实现两次换向过程,而 BLDC 电机无电刷配备,因此而得名。
由于其设计特性,无刷电机能够实现任意数量的换向磁极对。
与传统有刷电机相比,B L D C电机具有极大的优势。
这种电机的效率通常可提高15-20%;没有电刷物理磨损,因而能减少维护;无论在什么额定速度下都可以获得平坦的转矩曲线。
虽然BL DC电机并不是新发明,但由于需要复杂控制和反馈电路,所以广泛采用的进展较为缓慢。
然而,由于近期半导体技术的发展、永磁体品质提升,以及对更高效率不断增长的需求,促使BL DC 电机在大量应用中取代了有刷电机。
B LD C 电机在许多行业找到了市场定位,包括白色家电、汽车、航空航天、消费、医疗、工业化自动设备和仪器仪表等。
随着行业朝着需要在更多应用中使用B LD C电机的方向发展,许多工程师不得不将目光投向该技术。
虽然电机设计的基础要素仍然适用,但添加外部控制电路也增加了另一系列需考虑的设计事项。
在诸多设计问题中,最重要的一点是如何获取电机换向的反馈。
电机换向在深入探索BL DC 电机反馈选项之前,先了解为什么需要它们至关重要。
BLD C电机可配置为单相、两相和三相;其中最常用的配置为三相。
相数与定子绕组数相匹配,而转子磁极数根据应用需求的不同可以是任意数量。
因为BL DC电机的转子受旋转的定子磁极影响,所以须追踪定子磁极位置,以有效驱动三个电机相。
为此,需使用电机控制器在三个电机相上生成六步换向模式。
这六步(或换向相)移动电磁场,进而使转子永磁体移动电机轴。
图1:B LD C 电机六步换向模式通过采用这种标准电机换向序列,电机控制器即可利用高频率脉宽调制(P WM) 信号,有效降低电机承受的平均电压,从而改变电机速度。
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如果间隔60度,则输出波形相差60度电角度。 间隔120度与60度的二进制编码是不同的。
三相直流无刷电动机的换相原理
• 三相永磁无刷直流电动机转子 1 位置传感器输出信号Ha、Hb、 Hc在每360°电角度内给出了6 4 个代码,按其顺序排列,6个代 码是101、100、110、010、011、 001。当然,这一顺序与电动机 的转动方向有关,如果转向反 了,代码出现的顺序也将倒过 来 图5 • 图5是三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路,也就是 由6只功率开关元件组成的三相 H形桥式逆变电路。
2p E 2EX N n C e n 15
二、电磁转矩
方波电动机的电磁转矩Te 是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用 而产生的。可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩。
Te
EI
式中: —角速度, 60 I —电枢电流
E —两相电动势之和 对于转矩则有:
2n
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1)内置径向式
电气学院
永磁体材料的选择
永磁体及其性能多种多样,如何选择合适的永磁材料直接关系到电机的
性能和经济性。永磁体的选择应满足以下要求: 永磁体应能在指定的工作空间内产生所需要的磁场 永磁体所建立的磁场应具有一定的稳定性,磁性能随工作温度和环境 的变化应在允许范围内 具有良好的耐腐性性能 具有较好的力学特性,韧性好、抗压强度高、可加工等 价格合理,经济性好 电气学院
电气学院
内置式 • 这类结构的永磁体放置在转子铁心内部,永磁体外表面与 转子铁心外圆之间有铁磁物质制成的极靴,极靴中可以放 置铸铝笼或铜条笼,起阻尼或(和)启动作用,动、稳态 性能好。广泛用于要求有异步启动能力或动态性能高的永 磁同步电动机。 • 内置式转子磁路结构又可分为:径向式、切向式、混合式
• 铁氧体:适合于对电机体积、重量和性能要求不高,而对电机的经济
性要求高的场合。
• 铝镍钴:适合于对电机体积、重量和性能要求不高,但工作温度超过 300度或要求温度稳定性好且电机的成本不高的场合。
• 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的场合。 • 稀土钴:适合于对电机体积、重量和性能要求很高,工作环境温度高, 要求温度稳定性好,制造成本不是主要考虑因素的场合。 • 粘结永磁材料:适合批量大、磁极形状复杂、电机性能要求不高的场 合。 电气学院
3
5
6
2
A
B
C
X
Y
Z
三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路
一、电枢绕组的反电势
单根电枢绕组在气隙磁场中的感应电势
e Blv
式中:B ——气隙磁感应强度; l ——导体的有效长度; v ——转子相对于定子导体的线速度。 对于线速度v 有:
n v n 2 p 60 60
式中:n ——电动机转速,单位为r/min; D ——电枢内径; p ——极对数; τ ——极距。
6步通电顺序
A
4
1
a 3
COM
6
c b B 2 5 C
• 三相绕组通电遵循如下规则: 每步三个绕组中一个绕组流入电流,一个绕组流出电流,一个 绕组不导通; • 通电顺序如下:
1.A+B- 2.C+B- 3.C+A-
4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-
A
6步通电顺序
FA+C-
A
FA+B-
Байду номын сангаас
4
1
电气学院
表贴凸出式和插入式转子磁路结构图
电气学院
1)表贴凸出式转子磁路结构 • 其结构简单,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行范围不宽的永磁同步电动 机中 2)表贴插入式转子磁路结构
• 这种结构可充分利用转子结构磁路的不对称性所产生的磁
阻转矩,提高电机的功率密度。制造工艺也较简单。通常 用于某些调速永磁同步电动机中。
单元电机Z0 和p0 组合选择的约束条件: 分数槽电机的Z0 和p0 组合不是可以任意选择的。
1)为了使各相绕组对称, 必须每相均分到相同的槽数, 即必须Z0 /m =整数。对于三 相电机,m = 3, Z0必须为3的倍数。 2)由于Z0 / p0 为不可约分数, 因此: p0 /m ≠整数, 即p0 不允许是m 的倍数。对于三 相电动机,m = 3, p0 不允许选择为3的倍数。 3)如果Z0 为偶数, 因Z0 / p0为不可约分数, p0必为奇数。 4)如果Z0 为奇数, p0 可能是奇数, 也可能是偶数。
转子设计
转子设计
损耗与效率
概述
电机损耗可分为下列5类: (1)定、转子铁心中的基本铁耗,它是由主磁场在铁心中发生变化时产生的。
2p NnI 4p 15 Te NI Ct I 2n (5-3) 60
从式(5-2)和式(5-3)可以看出,三相永磁方波电动机与永磁直流电动机 有完全相同的反电势公式和转矩公式。
直流电机的基本方程式
•1)感应电势E • 2)电磁转矩T
E Cen(V )
式中: Ф一对磁极的磁通(Wb);
从机械特性方程可知,改变磁通时, 电动机的理想空载转速和转速降 落都会随磁通的变化而变化. 磁通只能在额定值以下调节,理想 空载转速和转速降落都要增大------弱磁增速.
电机的绕组
永磁无刷直流电机分数槽集中绕组
分数槽绕组的定义:每极每相槽数q=Z/2mp不为整数的绕组称为分数槽绕组
采用分数槽技术的优点:
通过磁势相量星形图对电机绕组及霍尔位置的分析
以12齿5极对电机举例说明
转子磁路结构不同,则电机的运行性能、控制系统、制造工艺
和适用场合也不同。根据永磁体在转子上的位置不同,永磁同
步电机的转子磁路结构通常分为两种:表贴式和内置式 表贴式 • 这种结构中,永磁体通常呈瓦片形,并位于转子铁心的表 面上,永磁体的充磁方向为径向。 • 表贴式转子磁路结构又可分为凸出式和插入式两种
直流电动机的自然机械特性
在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为自 然机械特性.
永磁无刷直流 电动机的机械 特性曲线对比
改变电枢电压的人工机械特性
n0随U的变化而变化 但转速下降速率不变 .因此,变电枢电压的人工机械特 性是一簇与自然机械特性平行的 特性曲线.
改变磁通的人工机械特性
• 如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置,当N极逐渐靠近 霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时,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,其输出仍 然保持导通状态;只有磁场转变为S极并达到一定值时,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%。 • 如果转子是一对极,则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的 电压波形,如果转子是两对极,则输出两个周期的电压波形。
1)平均每对极下的槽数大为减少, 以较少数目的大槽代替数目较多的小槽, 可减少 槽绝缘占据的空间, 有利于提高槽满率, 进而提高电动机性能; 同时, 较少数目的元 件数, 可简化嵌线工艺和接线, 有助于降低成本。 2)可改善反电势波形的正弦性。 3)分数槽绕组电机有可能得到线圈节距y = 1的设计(集中绕组) 。 每个线圈只绕 在一个齿上,缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度, 减低用铜量; 各个线圈端部没有 重叠, 不必设相间绝缘。所以有文献称这种绕组为非重叠绕组。 4)分数槽集中绕组便于使用专用绕线机, 直接将线圈绕在齿上, 取代传统嵌线工艺, 提高工效。 5)提高电动机性能。槽满率的提高、线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短, 使电 动机绕组电阻减小, 铜损随之也减低, 进而提高电动机效率和降低温升。 6)分数槽的齿槽效应转矩由于每转次数较多,幅值通常比整数槽绕组小, 定子铁心 无须斜槽,有利于降低振动和噪声。
EX
pN p n Nn 15 15
磁通:通过某一截面积的磁力线总数,用 Φ表示,单位为韦(伯)Wb;磁感应强度 是与磁力线方向垂直的单位面积上所通过 的磁力线数目,又叫磁力线密度,也叫磁 通密度,用B表示,单位为特(斯拉)T。
考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电,所以,线电势E为两相 电势之和:
2)如何实现换相?
• 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-
• 必须换相才能实现磁场的旋转,如果根据转子磁极的 位置换相,并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互 垂直的条件,就能取得最大转矩。 • 要想根据转子磁极的位置换相,换相时就必须知道转 子的位置,但并不需要连续的位置信息,只要知道换 相点的位置即可。 • 在无刷直流电机中,一般采用3个开关型霍尔传感器测 量转子的位置。由其输出的3位二进制编码去控制逆变 器中6个功率管的导通实现换相。
无刷直流电动机基本结构
A
Y
N N
Z
N
A Y Z X B C
C
S
X
B
S
内转子,外定子
外转子,内定子
无刷直流电机的基本原理
基本原理的公式体现: f 一、直流电机
BLI
定子铁心(Fe)
f
电枢=定子铁心+导体+换向器
磁极+励磁线圈/永磁体 磁轭(Fe)
电机是:
定子 合二为一: 转子 各伺其职: 转子:产生磁场B
开关型霍尔传感器:
霍尔传感器和定子绕组是固定不转的,转子是永久磁铁,磁铁经过转子霍 尔传感器后,霍尔器件产生一个脉冲。
霍尔工作原理
•当将一块通电的半导体薄片垂直置于磁场中时,薄片两侧由此会产生电位 差,此现象称为霍尔效应。 • 霍尔集成电路具有无触点、无磨损、无火花、低功耗、寿命长、灵敏度高 、工作频率高的特点。 • 霍尔集成电路是霍尔元件与电子线路一体化的产品,它是由霍尔元件、放 大器、温度补偿电路和稳压电路利用集成电路工艺技术制成的。它能感知 一切与磁有关的物理量,又能输出相关的电控信息,所以霍尔集成电路既 是一种集成电路,又是一种磁敏传感器。