前沿技术讲座(新型电机)
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28
三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律
29
2. 三三导通方式
三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律
30
2.2.3 角形连接三相桥式主电路
+ VT1 US C VT4 VT6 VT2 VT3 VT5 A
C
B
如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率 MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二 二导通和三三导通两种。
桥式三种形式。
1.2.1 星形连接三相半桥主电路
US A B C
H1 H2 H3
VT1
VT2
VT3
25
在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3 周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如 图所示。 H1
0 H2 0 H3 0 120 240 360 480 t 120 240 360 480 t 120 240 360 480 t
M ia ea d M ib eb dt L ic ec
微 分 算 子
定 组 子 电 相 流 绕
自定 感子 、相 互绕 感组
组定 电子 动相 势绕
39
当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：
ia+ib+ic=0 Mia+Mib=-Mic Mib+Mic=-Mia Mia+Mic=-Mib
(5) 三相绕组完全对称。
38
三相绕组的电压平衡方程为
ua r 0 0 ia L u 0 r 0 i M b b 0 0 r M u c ic
定 组 子 电 相 压 绕
M L M
35
m m m Fadm Fasin 2F sin 2I aW K wsin 2 2 2
式中
F ——每相绕组的磁动势； W—— 每相绕组的串联匝数；
Kw——绕组系数。
由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反
应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发 生永久失磁，在设计时必须予以注意。
无刷直流电动机结构
10
N S N
S
N N S S N S S S S N N N
N S
S
N
N
S
N S
S N
S N
表面式磁极
嵌入式磁极
环形磁极
内转子结构形式
11
外转子 永磁体 绕组 内定子
实际电机
结构示意图
外转子无刷直流电动机
12
2. 逆变器
1) 非桥式（半桥式）——半控型
US A B C
US A B C D
22
2.1.3 无刷直流电动机与永磁同步电动机
由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环 控制系统后构成自同步永磁电动机，既具有永磁直 流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。 无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调 速性能已能达到低速转矩脉动小于3％、调速比大
于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青 睐。
新型电机
电气工程系 王兵
一、概述
一级学科：0808电气工程 电机与电器（080801）、 电力系统及其自动化、高电 压与绝缘技术、电力电子与 电气传动（080804）、电工 理论与新技术五个二级学科.
1.电机与电器 主要研究电机电器及其控制系统的运 行理论、电磁问题、设计和控制理论， 涉及电机电器的基本理论、特种电机及 其控制系统、电机计算机辅助设计及优 化技术、电机电磁场数学模型与数值分 析、电机的控制理论及方法、特种电机 设计等研究领域。
VD4
VT6
VD6
VT2
VD2
C
B
d) 三角形联结三相桥式主电路
15
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
US
A
B
e)正交两相全控型主电路
16
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
A US D B
C
f) 封闭形联结四相桥式主电路
17
主电路选择原则
绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组 转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小 电路成本：相数越多，电路成本越高
控 制 器
数字 控制 系统
基于专用集成电路 的控制系统 数模混合控制系统
全数字控制系统
控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服 功能的指挥中心
20
2.1.2 基本工作原理
永磁无刷直流 电机系统图
控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换 后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆 变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定 顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。 21
所以得电压方程：
0 0 ia ea ua r 0 0 ia L M d u 0 r 0 i 0 L M 0 ib eb b b dt 0 L M 0 0 r 0 u c ic ic ec
二、无刷直流电动机 Brushless DC Motor ( BLDCM)
2.1 无刷直流电动机系统
2.1.1 基本组成
直流电 源 逆变器 电机本体 输出
位置检测器 控制信号 控制器
无刷直流电机构成框图
9
1. 电动机本体
定子 永磁转子 传感器定子 传感器转子
(a) 结构示意图
(b) 定转子实际结构
2、电力电子与电气传动 电力电子与电力传动学科主要研究新型电 力电子器件、电能的变换与控制、功率源、 电力传动及其自动化等理论技术和应用。它 是综合了电能变换、电磁学、自动控制、微 电子及电子信息、计算机等技术的新成就而 迅速发展起来的交叉学科，对电气工程学科 的发展和社会进步具有广泛的影响和巨大的 作用。
42
设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则 单根导体在气隙磁场中感应的电动势为
v
e B La v (V) D 2 p n
60 n 60
(m/s)
如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动 势幅值为
Em 2W e
pW 15 i
n Ce n
星形联接三相桥式主电路应用最多
18
3. 位置检测器
有位 置传 感器 检测
磁敏式 光电式 电磁式 接近开关式 正余弦变压器 编码器
位 置 检 测 器
无位 置传 感器 检测
反电动势检测
续流二极管工作状态检测
定子三次谐波检测
瞬时电压方程法
19
4. 控制器
模拟 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
40
无刷直流电动机的等效电路如图所示
VT1 US A
VD1
VT3
VD3
VT5
VD5 ia r r r LM LM LM + + + ea eb ec -
B C VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
ib ic
41
2.4.2 无刷直流电动机的反电动势
无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示
36
2.4 无刷直流电动机基本公式与数学模型
无刷直流电机的磁场、电势、电流波形 方波电动机——梯形波反电势与方波电流
37
2.4.1 无刷直流电动机的数学模型
直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型
假设
(1) 电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形 ( 近 似为方波)分布； (2) 定子齿槽的影响忽略不计； (3) 电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4) 忽略电机中的磁滞和涡流损耗；
a) 三相半桥主电路
b) 四相半桥主电路
13
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 US B VD1 VT3 VD3 VT5 VD5 A
VT4
VD4
VT6
VD6
VT2
VD2
C
c) 星形联结三相桥式主电路
14
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 US VD1 VT3 VD3 VT5 VD5 A
VT4
无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动 模式的波形比较如下图所示。
23
B O
B O ea O
t
t
ea O
t
t
ia O
ia O
t
t
Ta O Te
Ta O Te
t
t
O
t
O
t
(a) 无刷直流电动机
(b) 永磁同步电动机
24
2.2 无刷直流电动机的主电路及其工作方式
无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三 相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相
B iLa
43
2.4.3 无刷直流电动机稳态性能的动态模拟
依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为
dic dia LM dt ria ea ( LM dt ric ec ) 0 dic dib rib eb ( LM ric ec ) U S LM dt dt ia ib ic 0 续流结束后，换相完成，电路方程变为：
研究方向: （1）谐波抑制与无功补偿 （2）电力电子电路仿真与设计 （3）计算机控制系统 （4）电气系统智能控制技术 （5）现代控制理论及其在电气传动中的应用 （6）系统故障诊断技术及应用
（7）现代交、直流电机调速技术
（8）功率变换技术的研究
3、新型电机重点发展方向
(1)现代高品质电气驱动与智能控制，包括 电动汽车、舰船推进、高性能电梯等使用 的高品质电气驱动系统和全数字、智能化 交流伺服系统的研究。 (2) 新型特种电机与新能源技术，包括各种 新概念、新原理、新材料电机的理论、模 型、控制及应用，新能源利用中所需特种 电机及关键技术的研究。 (3) 电磁工程与电物理技术，包括电磁场分 析技术、特种电磁装备等。
dic dib LM rib eb ( LM ric ec ) U S dt dt ib ic 0
在不同的学校，研究方向略有不同， 但主要研究方向如下： （1）新型电机及机电一体化技术、能 源变换技术 （2）电机控制（电机控制理论与高性 能运动控制方法 ）与电力电子应用技 术 （3）智能电器及在线监测技术 （4）高频功率磁元件分析与应用 （5）电机电器智能测试技术 （6）电气装备检测与故障诊断
工作原理
转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状 o图示位置→ 磁极转过 60 磁极图示位置 → 位置信号 态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o— 位置信号→逻辑变换 → 逻辑变换 → V1 、 V6 开通 —两相导通三相六状态 →V1、V2 开通→ A、C → A、B相导通→I:E+-AO跳跃旋转 转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔 60 相导通→I: E+-A-C-EB-E- →电机顺时针旋转 →电机顺时针旋转 ——自同步电机
Fad S N
Faq Fa
B C X II Fr I
如图所示，电枢 磁动势的直轴分 量Fad对转子主磁 极产生最大去磁 作用
34
A Y S Z
Fa Faq
C
N
Fad X
B I
如图所示，电枢磁 动势的直轴分量Fad 对转子主磁极产生 最大增磁作用。
II
Fr
可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最 大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/2磁状态时既不 去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后 达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁 动势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为
旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种 磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单 相导通星形三相三状态。
26
2.2.2 星形连接三相桥式主电路
+ VT1 US VT3 VT5 A B
VT4 -
ຫໍສະໝຸດ BaiduVT6
VT2
C
位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些 开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通 方式和三三导通方式。
27
1. 二二导通方式
电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：
Eaia Ebib Ecic Te
式中Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势；
ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；
——转子的机械角速度。
可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转 速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。
31
1. 二二导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律
32
2. 三三导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律
33
2.3 无刷直流电动机的电枢反应
电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为 电枢反应。 电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示
A Y Z
三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律
29
2. 三三导通方式
三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律
30
2.2.3 角形连接三相桥式主电路
+ VT1 US C VT4 VT6 VT2 VT3 VT5 A
C
B
如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率 MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二 二导通和三三导通两种。
桥式三种形式。
1.2.1 星形连接三相半桥主电路
US A B C
H1 H2 H3
VT1
VT2
VT3
25
在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3 周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如 图所示。 H1
0 H2 0 H3 0 120 240 360 480 t 120 240 360 480 t 120 240 360 480 t
M ia ea d M ib eb dt L ic ec
微 分 算 子
定 组 子 电 相 流 绕
自定 感子 、相 互绕 感组
组定 电子 动相 势绕
39
当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：
ia+ib+ic=0 Mia+Mib=-Mic Mib+Mic=-Mia Mia+Mic=-Mib
(5) 三相绕组完全对称。
38
三相绕组的电压平衡方程为
ua r 0 0 ia L u 0 r 0 i M b b 0 0 r M u c ic
定 组 子 电 相 压 绕
M L M
35
m m m Fadm Fasin 2F sin 2I aW K wsin 2 2 2
式中
F ——每相绕组的磁动势； W—— 每相绕组的串联匝数；
Kw——绕组系数。
由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反
应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发 生永久失磁，在设计时必须予以注意。
无刷直流电动机结构
10
N S N
S
N N S S N S S S S N N N
N S
S
N
N
S
N S
S N
S N
表面式磁极
嵌入式磁极
环形磁极
内转子结构形式
11
外转子 永磁体 绕组 内定子
实际电机
结构示意图
外转子无刷直流电动机
12
2. 逆变器
1) 非桥式（半桥式）——半控型
US A B C
US A B C D
22
2.1.3 无刷直流电动机与永磁同步电动机
由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环 控制系统后构成自同步永磁电动机，既具有永磁直 流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。 无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调 速性能已能达到低速转矩脉动小于3％、调速比大
于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青 睐。
新型电机
电气工程系 王兵
一、概述
一级学科：0808电气工程 电机与电器（080801）、 电力系统及其自动化、高电 压与绝缘技术、电力电子与 电气传动（080804）、电工 理论与新技术五个二级学科.
1.电机与电器 主要研究电机电器及其控制系统的运 行理论、电磁问题、设计和控制理论， 涉及电机电器的基本理论、特种电机及 其控制系统、电机计算机辅助设计及优 化技术、电机电磁场数学模型与数值分 析、电机的控制理论及方法、特种电机 设计等研究领域。
VD4
VT6
VD6
VT2
VD2
C
B
d) 三角形联结三相桥式主电路
15
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
US
A
B
e)正交两相全控型主电路
16
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
A US D B
C
f) 封闭形联结四相桥式主电路
17
主电路选择原则
绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组 转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小 电路成本：相数越多，电路成本越高
控 制 器
数字 控制 系统
基于专用集成电路 的控制系统 数模混合控制系统
全数字控制系统
控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服 功能的指挥中心
20
2.1.2 基本工作原理
永磁无刷直流 电机系统图
控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换 后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆 变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定 顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。 21
所以得电压方程：
0 0 ia ea ua r 0 0 ia L M d u 0 r 0 i 0 L M 0 ib eb b b dt 0 L M 0 0 r 0 u c ic ic ec
二、无刷直流电动机 Brushless DC Motor ( BLDCM)
2.1 无刷直流电动机系统
2.1.1 基本组成
直流电 源 逆变器 电机本体 输出
位置检测器 控制信号 控制器
无刷直流电机构成框图
9
1. 电动机本体
定子 永磁转子 传感器定子 传感器转子
(a) 结构示意图
(b) 定转子实际结构
2、电力电子与电气传动 电力电子与电力传动学科主要研究新型电 力电子器件、电能的变换与控制、功率源、 电力传动及其自动化等理论技术和应用。它 是综合了电能变换、电磁学、自动控制、微 电子及电子信息、计算机等技术的新成就而 迅速发展起来的交叉学科，对电气工程学科 的发展和社会进步具有广泛的影响和巨大的 作用。
42
设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则 单根导体在气隙磁场中感应的电动势为
v
e B La v (V) D 2 p n
60 n 60
(m/s)
如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动 势幅值为
Em 2W e
pW 15 i
n Ce n
星形联接三相桥式主电路应用最多
18
3. 位置检测器
有位 置传 感器 检测
磁敏式 光电式 电磁式 接近开关式 正余弦变压器 编码器
位 置 检 测 器
无位 置传 感器 检测
反电动势检测
续流二极管工作状态检测
定子三次谐波检测
瞬时电压方程法
19
4. 控制器
模拟 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
40
无刷直流电动机的等效电路如图所示
VT1 US A
VD1
VT3
VD3
VT5
VD5 ia r r r LM LM LM + + + ea eb ec -
B C VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
ib ic
41
2.4.2 无刷直流电动机的反电动势
无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示
36
2.4 无刷直流电动机基本公式与数学模型
无刷直流电机的磁场、电势、电流波形 方波电动机——梯形波反电势与方波电流
37
2.4.1 无刷直流电动机的数学模型
直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型
假设
(1) 电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形 ( 近 似为方波)分布； (2) 定子齿槽的影响忽略不计； (3) 电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4) 忽略电机中的磁滞和涡流损耗；
a) 三相半桥主电路
b) 四相半桥主电路
13
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 US B VD1 VT3 VD3 VT5 VD5 A
VT4
VD4
VT6
VD6
VT2
VD2
C
c) 星形联结三相桥式主电路
14
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 US VD1 VT3 VD3 VT5 VD5 A
VT4
无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动 模式的波形比较如下图所示。
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B O
B O ea O
t
t
ea O
t
t
ia O
ia O
t
t
Ta O Te
Ta O Te
t
t
O
t
O
t
(a) 无刷直流电动机
(b) 永磁同步电动机
24
2.2 无刷直流电动机的主电路及其工作方式
无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三 相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相
B iLa
43
2.4.3 无刷直流电动机稳态性能的动态模拟
依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为
dic dia LM dt ria ea ( LM dt ric ec ) 0 dic dib rib eb ( LM ric ec ) U S LM dt dt ia ib ic 0 续流结束后，换相完成，电路方程变为：
研究方向: （1）谐波抑制与无功补偿 （2）电力电子电路仿真与设计 （3）计算机控制系统 （4）电气系统智能控制技术 （5）现代控制理论及其在电气传动中的应用 （6）系统故障诊断技术及应用
（7）现代交、直流电机调速技术
（8）功率变换技术的研究
3、新型电机重点发展方向
(1)现代高品质电气驱动与智能控制，包括 电动汽车、舰船推进、高性能电梯等使用 的高品质电气驱动系统和全数字、智能化 交流伺服系统的研究。 (2) 新型特种电机与新能源技术，包括各种 新概念、新原理、新材料电机的理论、模 型、控制及应用，新能源利用中所需特种 电机及关键技术的研究。 (3) 电磁工程与电物理技术，包括电磁场分 析技术、特种电磁装备等。
dic dib LM rib eb ( LM ric ec ) U S dt dt ib ic 0
在不同的学校，研究方向略有不同， 但主要研究方向如下： （1）新型电机及机电一体化技术、能 源变换技术 （2）电机控制（电机控制理论与高性 能运动控制方法 ）与电力电子应用技 术 （3）智能电器及在线监测技术 （4）高频功率磁元件分析与应用 （5）电机电器智能测试技术 （6）电气装备检测与故障诊断
工作原理
转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状 o图示位置→ 磁极转过 60 磁极图示位置 → 位置信号 态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o— 位置信号→逻辑变换 → 逻辑变换 → V1 、 V6 开通 —两相导通三相六状态 →V1、V2 开通→ A、C → A、B相导通→I:E+-AO跳跃旋转 转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔 60 相导通→I: E+-A-C-EB-E- →电机顺时针旋转 →电机顺时针旋转 ——自同步电机
Fad S N
Faq Fa
B C X II Fr I
如图所示，电枢 磁动势的直轴分 量Fad对转子主磁 极产生最大去磁 作用
34
A Y S Z
Fa Faq
C
N
Fad X
B I
如图所示，电枢磁 动势的直轴分量Fad 对转子主磁极产生 最大增磁作用。
II
Fr
可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最 大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/2磁状态时既不 去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后 达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁 动势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为
旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种 磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单 相导通星形三相三状态。
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2.2.2 星形连接三相桥式主电路
+ VT1 US VT3 VT5 A B
VT4 -
ຫໍສະໝຸດ BaiduVT6
VT2
C
位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些 开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通 方式和三三导通方式。
27
1. 二二导通方式
电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：
Eaia Ebib Ecic Te
式中Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势；
ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；
——转子的机械角速度。
可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转 速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。
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1. 二二导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律
32
2. 三三导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律
33
2.3 无刷直流电动机的电枢反应
电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为 电枢反应。 电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示
A Y Z