前沿技术讲座(新型电机) PPT
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新型电机
一、概述
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。
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
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
t
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。
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
A
US
C
B
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
c) 星形联结三相桥式主电路
13
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
US
A
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
工作原理
磁→→B转态—转-逻 E极A两子改子-、辑图每变磁→相B变示转 一 场电导相换位过 次 顺机导通→置， 时6顺通0三V→电 针o时，→1相位、机 连针逆I:置六V有续旋E变6+信状旋6转开-器个A号转态通开-磁、关状定管态子磁位→相换，磁V极置导流三1场转信通、一相隔过号→V次各62I6→、:导00开OE逻o定图通跳+通辑-子示1跃A→2变-磁位0旋CAo换状—-置转、E-→C
星形联接三相桥式主电路应用最多
17
3. 位置检测器
有位
置传
感器
位
检测
置
检
测
器
无位
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 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
18
4. 控制器
模拟 控制 系统
控 制 器
数字 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
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
控制信号
控制器
位置检测器
无刷直流电机构成框图
8
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
无刷直流电动机结构
——自同步电机
→电机顺时针旋转
21
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。
(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。
C
B
d) 三角形联结三相桥式主电路
14
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
A US
B
e)正交两相全控型主电路
15
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
US
A
D
B
C
f) 封闭形联结四相桥式主电路
16
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
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
19
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。 20
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。
22
B
B
O
O
t
t
ea
ea
O
O
t
t
ia
ia
O
O
t
t
Ta
Ta
O
O
t
t
Te
Te
O t
(a) 无刷直流电动机
O
(b) 永磁同步电动机
t
23
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 桥式三种形式。
（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
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。
9
N S
S N
N S
S N
表面式磁极
Hale Waihona Puke Baidu
N N
N
N
S
S
S
S
SS N
NS
S
S
N
N
S
N
N
嵌入式磁极
环形磁极
内转子结构形式
10
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
11
2. 逆变器
1) 非桥式（半桥式）——半控型
US
US
A
B
C
A
B
C
D
a) 三相半桥主电路
b) 四相半桥主电路
12
1.2.1 星形连接三相半桥主电路
US
A
B
C
VT1 H1 H2 H3
VT2
VT3
24
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
0 120 240 360 480
t
H2
0 120 240 360 480
t
H3
0 120 240 360 480
一、概述
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。
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
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
t
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。
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
A
US
C
B
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
c) 星形联结三相桥式主电路
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2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
US
A
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
工作原理
磁→→B转态—转-逻 E极A两子改子-、辑图每变磁→相B变示转 一 场电导相换位过 次 顺机导通→置， 时6顺通0三V→电 针o时，→1相位、机 连针逆I:置六V有续旋E变6+信状旋6转开-器个A号转态通开-磁、关状定管态子磁位→相换，磁V极置导流三1场转信通、一相隔过号→V次各62I6→、:导00开OE逻o定图通跳+通辑-子示1跃A→2变-磁位0旋CAo换状—-置转、E-→C
星形联接三相桥式主电路应用最多
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3. 位置检测器
有位
置传
感器
位
检测
置
检
测
器
无位
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 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
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4. 控制器
模拟 控制 系统
控 制 器
数字 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
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
控制信号
控制器
位置检测器
无刷直流电机构成框图
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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
无刷直流电动机结构
——自同步电机
→电机顺时针旋转
21
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。
(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。
C
B
d) 三角形联结三相桥式主电路
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2. 逆变器
2) 桥式——全控型
A US
B
e)正交两相全控型主电路
15
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
US
A
D
B
C
f) 封闭形联结四相桥式主电路
16
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
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
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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。 20
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
B
O
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t
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ea
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O
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t
ia
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O
O
t
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Ta
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O
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Te
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O t
(a) 无刷直流电动机
O
(b) 永磁同步电动机
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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 桥式三种形式。
（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
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。
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N S
S N
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S N
表面式磁极
Hale Waihona Puke Baidu
N N
N
N
S
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S
S
SS N
NS
S
S
N
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N
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嵌入式磁极
环形磁极
内转子结构形式
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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
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2. 逆变器
1) 非桥式（半桥式）——半控型
US
US
A
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C
A
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a) 三相半桥主电路
b) 四相半桥主电路
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1.2.1 星形连接三相半桥主电路
US
A
B
C
VT1 H1 H2 H3
VT2
VT3
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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
0 120 240 360 480
t
H2
0 120 240 360 480
t
H3
0 120 240 360 480