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特种电机及其控制绪论课件
特种电机及其控制绪论课件
4、特种电机的种类很多，而且仍在不断创新和发展 之中。一般来说，新工艺、新材料的采用，必然带 来电机设计方法的改变和电机运行性能的变化；而 即使采用同样的工艺和材料，特殊的设计也必然导 致特殊的电机性能。
稀土永磁电机、超导电机从设计到运行都与普通 电机有很大的差别。而稀土永磁同步电机可以设计 为宽调速电机——解决恒功率弱磁运行速度范围窄 的难题；也可以设计为高效电机——我国开发的超 高效稀土永磁同步电机的效率，比美国预计2007年 推出的最高效电动机的效率高2~4个百分点，而且小 一个机座号。
特种电机及其控制绪论课件
2）目前发展
❖ 日本在超声电机的研究和应用上都处于领先地位。 ❖ 美国、德国、法国、英国等都己经或正在投入大批的人力、
物力开发超声电机，努力追赶日本。特别是美国，仅 Pennysyvania州立大学在1994－1998年就投入1.5亿专门从 事压电材料和超声电机研究。德国GmbH公司的产品已用于奔 驰汽车自动窗门。 ❖ 我国超声电机研究是从二十世纪九十年代开始，其中清华大 学、哈尔滨工业大学、吉林工业大学、浙江大学、南京航空 航天大学先后开展了超声电机的研究，但尚未进入商业应用。 清华大学物理系超声电机项目研究组 http:/// 南京航天航空大学 超声电机研究中心
特种电机及其控制绪论课件
0.2 特种电机的应用
(1) 信息处理领域：配套微电机全世界年需求量约15 亿台(套)，绝大部分是精密永磁无刷电动机、精密步 进电动机。
(2) 交通运输领域:在高级汽车中，为了控制燃料和 改善乘车感觉以及显示有关装置状态的需要，要使 用40~50台电动机，而未来豪华轿车上的电机可多达 80台。汽车电器配套电机主要为永磁直流电机、无 刷直流电机等。电动车辆驱动用电机主要是无刷直 流电动机、开关磁阻电动机、永磁同步电动机等等， 这类电机的发展趋势是高效率、高出力、智能化。 在机车驱动、轮船推进中也取得了广泛应用，如直 线电机用于磁悬浮列车、地铁的驱动。
4、特种电机的种类很多，而且仍在不断创新和发展 之中。一般来说，新工艺、新材料的采用，必然带 来电机设计方法的改变和电机运行性能的变化；而 即使采用同样的工艺和材料，特殊的设计也必然导 致特殊的电机性能。
稀土永磁电机、超导电机从设计到运行都与普通 电机有很大的差别。而稀土永磁同步电机可以设计 为宽调速电机——解决恒功率弱磁运行速度范围窄 的难题；也可以设计为高效电机——我国开发的超 高效稀土永磁同步电机的效率，比美国预计2007年 推出的最高效电动机的效率高2~4个百分点，而且小 一个机座号。
特种电机及其控制绪论课件
2）目前发展
❖ 日本在超声电机的研究和应用上都处于领先地位。 ❖ 美国、德国、法国、英国等都己经或正在投入大批的人力、
物力开发超声电机，努力追赶日本。特别是美国，仅 Pennysyvania州立大学在1994－1998年就投入1.5亿专门从 事压电材料和超声电机研究。德国GmbH公司的产品已用于奔 驰汽车自动窗门。 ❖ 我国超声电机研究是从二十世纪九十年代开始，其中清华大 学、哈尔滨工业大学、吉林工业大学、浙江大学、南京航空 航天大学先后开展了超声电机的研究，但尚未进入商业应用。 清华大学物理系超声电机项目研究组 http:/// 南京航天航空大学 超声电机研究中心
特种电机及其控制绪论课件
0.2 特种电机的应用
(1) 信息处理领域：配套微电机全世界年需求量约15 亿台(套)，绝大部分是精密永磁无刷电动机、精密步 进电动机。
(2) 交通运输领域:在高级汽车中，为了控制燃料和 改善乘车感觉以及显示有关装置状态的需要，要使 用40~50台电动机，而未来豪华轿车上的电机可多达 80台。汽车电器配套电机主要为永磁直流电机、无 刷直流电机等。电动车辆驱动用电机主要是无刷直 流电动机、开关磁阻电动机、永磁同步电动机等等， 这类电机的发展趋势是高效率、高出力、智能化。 在机车驱动、轮船推进中也取得了广泛应用，如直 线电机用于磁悬浮列车、地铁的驱动。
特种电动机
由上面分析可知，要改变电动机的转向，只需改变定子绕 组通电的顺序即可。
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项目2 特种电动机
在工程技术中，这种运行方式被称为“三相单三拍”。“三 相”是指定子有三个绕组，“单”是指只给一相绕组单独通 电，“拍”是指定子绕组每改变一次通电方式称做一拍， “三拍”表示三种通电方式组成一个工作循环。
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图9-1直流电机主要部件外形图
返回
图9-2带电刷的刷握示意图
返回
图9-3换向器剖面图
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图9-4电刷的研磨方法
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图9-5交流伺服电动机示意图
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图9-6反应式步进电动机示意图
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图9-7三相单三拍运行方式示意图
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ห้องสมุดไป่ตู้
图9-8步进电动机典型结构
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1.反应式步进电动机的结构 反应式步进电动机也是由定子和转子两部分组成，如图9-6
所示。它的定子用薄硅钢片叠压而成，做成凸极式。六个磁极 均匀分布在定子铁芯圆周的内表面，磁极上都装有线圈，相对 的两个磁极上的线圈串联起来，形成三个独立的绕组，分别用A 相、B相和C相表示。它们可以连接成星形或三角形。独立绕组 的数目称做步进电动机的相数。一般有三相、四相、五相、六 相等(注意:这里的相仅表示独立的绕组线圈，与交流电的“三 相”是不同的)。转子也用薄硅钢片叠压而成，表面均匀分布四 个齿，齿上没有绕组，本身也不具有磁性。
步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角，用表示。 三相单三拍运行方式步距角 =30°。在实际使用中，还 可AB两相同时通电，使转子轴线转至AB两相之间的轴线， 按AB→BC → CA的顺序，两相同时依次通电，称为三相双 三拍运行方式。
3.小步距角步进电动机 要满足系统对控制精度的要求，则步距角要小。常用的减
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项目2 特种电动机
在工程技术中，这种运行方式被称为“三相单三拍”。“三 相”是指定子有三个绕组，“单”是指只给一相绕组单独通 电，“拍”是指定子绕组每改变一次通电方式称做一拍， “三拍”表示三种通电方式组成一个工作循环。
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图9-1直流电机主要部件外形图
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图9-2带电刷的刷握示意图
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图9-3换向器剖面图
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图9-4电刷的研磨方法
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图9-5交流伺服电动机示意图
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图9-6反应式步进电动机示意图
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图9-7三相单三拍运行方式示意图
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ห้องสมุดไป่ตู้
图9-8步进电动机典型结构
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1.反应式步进电动机的结构 反应式步进电动机也是由定子和转子两部分组成，如图9-6
所示。它的定子用薄硅钢片叠压而成，做成凸极式。六个磁极 均匀分布在定子铁芯圆周的内表面，磁极上都装有线圈，相对 的两个磁极上的线圈串联起来，形成三个独立的绕组，分别用A 相、B相和C相表示。它们可以连接成星形或三角形。独立绕组 的数目称做步进电动机的相数。一般有三相、四相、五相、六 相等(注意:这里的相仅表示独立的绕组线圈，与交流电的“三 相”是不同的)。转子也用薄硅钢片叠压而成，表面均匀分布四 个齿，齿上没有绕组，本身也不具有磁性。
步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角，用表示。 三相单三拍运行方式步距角 =30°。在实际使用中，还 可AB两相同时通电，使转子轴线转至AB两相之间的轴线， 按AB→BC → CA的顺序，两相同时依次通电，称为三相双 三拍运行方式。
3.小步距角步进电动机 要满足系统对控制精度的要求，则步距角要小。常用的减
特种电动机教学课件pptx
结构特点
定子和转子均由硅钢片叠压而成 ，转子上无绕组，定子上有集中 绕组，具有结构简单、坚固耐用
等优点。
工作原理
利用磁阻最小原理产生电磁转矩， 通过控制开关器件的通断来实现电 动机的运行。
应用领域
适用于各种需要调速和高效率的场 合，如纺织机械、印刷机械等。
直流无刷电动机
结构特点
采用电子换向器代替机械 换向器，具有无级调速、 高效率、低噪声等优点。
性能测试
对驱动系统进行性能测试，如 效率、噪音、可靠性等指标
优化改进
针对测试结果进行优化改进， 提高驱动系统性能
06
特种电动机应用领域探讨 与展望
新能源汽车领域应用现状及前景分析
01
新能源汽车市场现状及趋势
随着环保意识的提高和政策的推动，新能源汽车市场迅速增长，对特种
电动机的需求也日益增加。
02
包括电源、控制器、功率变换器 、电动机等部分
设计要求
高效率、低噪音、高可靠性、长 寿命等
特种电动机特点
如高速、高精度、大扭矩等，对 驱动系统提出更高要求
硬件电路设计实例分析
主电路设计
控制电路设计
保护电路设计
电磁兼容性设计
电源电路、功率变换器 电路等
控制器电路、信号调理 电路等
过流保护、过温保护等
减少电磁干扰，提高系 统稳定性
分类
根据工作原理和结构特点，特种 电动机可分为永磁同步电动机、 开关磁阻电动机、直线电动机、 超声波电动机等。
发展历程及现状
发展历程
从最初的直流电动机到交流电动机， 再到特种电动机的逐步发展，经历了 漫长的历程和不断的技术创新。
现状
随着科技的不断进步和应用需求的不 断提高，特种电动机在各个领域得到 了广泛的应用，并形成了多样化的产 品系列。
定子和转子均由硅钢片叠压而成 ，转子上无绕组，定子上有集中 绕组，具有结构简单、坚固耐用
等优点。
工作原理
利用磁阻最小原理产生电磁转矩， 通过控制开关器件的通断来实现电 动机的运行。
应用领域
适用于各种需要调速和高效率的场 合，如纺织机械、印刷机械等。
直流无刷电动机
结构特点
采用电子换向器代替机械 换向器，具有无级调速、 高效率、低噪声等优点。
性能测试
对驱动系统进行性能测试，如 效率、噪音、可靠性等指标
优化改进
针对测试结果进行优化改进， 提高驱动系统性能
06
特种电动机应用领域探讨 与展望
新能源汽车领域应用现状及前景分析
01
新能源汽车市场现状及趋势
随着环保意识的提高和政策的推动，新能源汽车市场迅速增长，对特种
电动机的需求也日益增加。
02
包括电源、控制器、功率变换器 、电动机等部分
设计要求
高效率、低噪音、高可靠性、长 寿命等
特种电动机特点
如高速、高精度、大扭矩等，对 驱动系统提出更高要求
硬件电路设计实例分析
主电路设计
控制电路设计
保护电路设计
电磁兼容性设计
电源电路、功率变换器 电路等
控制器电路、信号调理 电路等
过流保护、过温保护等
减少电磁干扰，提高系 统稳定性
分类
根据工作原理和结构特点，特种 电动机可分为永磁同步电动机、 开关磁阻电动机、直线电动机、 超声波电动机等。
发展历程及现状
发展历程
从最初的直流电动机到交流电动机， 再到特种电动机的逐步发展，经历了 漫长的历程和不断的技术创新。
现状
随着科技的不断进步和应用需求的不 断提高，特种电动机在各个领域得到 了广泛的应用，并形成了多样化的产 品系列。
特种电机的介绍
1 3EJ IJ cosJ
1
（13-3）
根据旋转磁场和电磁转矩旳基本概念， 当电磁转矩为正 时，其方向是使转子顺着旋转磁场方向转动；而当电磁转矩为 负时，其方向是使转子逆着旋转磁场方向转动。所以，TF和TJ 都是倾向于使δ=0。假如只有接受机旳转子能够自由转动，它将 沿着旋转磁场旳方向转动，直至δ=0 。假如发送机旳转子不断 地旋转，则接受机旳转子也将以一样旳速度不断地旋转。
13
第13章 特种电机
13.3.1 基本构造 励磁绕组
•
F n1
•
• IF EF
发送机
•
F
n1
•
•
IJ
EJ
接收机
整步绕组
•
•
EF
EJ
a)
•
ΔE
•
•
IJ •
EJ J
EF
F
•
IF
b)
图13-6 三相自整角机的接线图与工作原理
14
第13章 特种电机
13.3.2 工作原理
TF
TJ
3EFIF cosF
2
第13章 特种电机
13.1 旋转变压器
旋转变压器是输出电压与转子转角成一定函数关系旳特种 电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与 二次侧绕组之间旳电磁耦合程度与转子旳转角亲密有关。
按照输出电压与转子转角间旳函数关系，能够分为正余弦 旋转变压器和线性旋转变压器等。正余弦旋转变压器旳输出电 压与转子转角成正余弦函数关系，而线性旋转变压器旳输出电 压在一定转角范围内与转子转角成正比。可见，旋转变压器是 将角度信号转换成与其成某种函数关系旳电压信号，其主要用 途就是进行坐标变换、三角运算和角度数据传播等。
1
（13-3）
根据旋转磁场和电磁转矩旳基本概念， 当电磁转矩为正 时，其方向是使转子顺着旋转磁场方向转动；而当电磁转矩为 负时，其方向是使转子逆着旋转磁场方向转动。所以，TF和TJ 都是倾向于使δ=0。假如只有接受机旳转子能够自由转动，它将 沿着旋转磁场旳方向转动，直至δ=0 。假如发送机旳转子不断 地旋转，则接受机旳转子也将以一样旳速度不断地旋转。
13
第13章 特种电机
13.3.1 基本构造 励磁绕组
•
F n1
•
• IF EF
发送机
•
F
n1
•
•
IJ
EJ
接收机
整步绕组
•
•
EF
EJ
a)
•
ΔE
•
•
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EJ J
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F
•
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b)
图13-6 三相自整角机的接线图与工作原理
14
第13章 特种电机
13.3.2 工作原理
TF
TJ
3EFIF cosF
2
第13章 特种电机
13.1 旋转变压器
旋转变压器是输出电压与转子转角成一定函数关系旳特种 电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与 二次侧绕组之间旳电磁耦合程度与转子旳转角亲密有关。
按照输出电压与转子转角间旳函数关系，能够分为正余弦 旋转变压器和线性旋转变压器等。正余弦旋转变压器旳输出电 压与转子转角成正余弦函数关系，而线性旋转变压器旳输出电 压在一定转角范围内与转子转角成正比。可见，旋转变压器是 将角度信号转换成与其成某种函数关系旳电压信号，其主要用 途就是进行坐标变换、三角运算和角度数据传播等。
【优秀版】特种电机演讲PPT
4因为相电流换向位置处的电感小，故换向冲击振 动和噪声较小。
双凸极永磁电机
1、DSPM 采用双极性功率变换器，以能提供正、负向电流，
绕组电感比SR电机要小很多。
不仅所用主开关器件多（每相至少要用两只主开关器件），
DSPM 缺点 电机（双凸极永磁电机 ）是磁阻电机而和永且磁存电在机的因有误机触结合发体使，上是开、关下磁桥阻电臂机直的通创造故性障发的展。隐患；
特种电机演讲16
DSPM 电机（双凸极永磁电机 ）是磁阻电机和永磁电 机的有机结合体，是开关磁阻电机的创造性发展。
开关磁阻电机的双凸极结构在转矩输出方面有一些问题，
主要表现在:
为了解决这些问
(1) 由于主开关必须在电感较大处关断，电流换相较慢，从 而降低了转矩输出；
题，90 年代初， 人们将永磁材料 嵌入转子(或定子)
5.由于主磁路中放有两块磁导率与空气相近的永磁体， 绕组电感比SR电机要小很多。
优点
双凸极永磁电机
1、结构简单，无刷，转子上无绕组和永磁体，可靠性高；
2、因主磁场由高性能永磁体建立,相绕组匝数较少、 相电流较小，铜耗较低，故可提高系统效率；
3、因在一个转子极距中，绕组均可通电工作，产生 电动转矩，故增大了输出转矩，提高了单位体积能 量转换密度和转矩密度；
设通入的三相电流为图2 （b）所示的“理想”方波 电流，
即在相绕阻永磁磁链
Ψpm 增加区通入幅值为Im 的“正向电流”增强Ψpm ， 在Ψpm 减少区通入幅值为 Im 的“负向电流”削弱 Ψpm。
双凸极永磁电机基本结构和工作原理
基于线性假设，以一相绕组单独通电为例进行分析 ，这时 相绕组磁链Ψph为永磁磁链Ψpm 与其自感磁链Ψi 之和， 即：
双凸极永磁电机
1、DSPM 采用双极性功率变换器，以能提供正、负向电流，
绕组电感比SR电机要小很多。
不仅所用主开关器件多（每相至少要用两只主开关器件），
DSPM 缺点 电机（双凸极永磁电机 ）是磁阻电机而和永且磁存电在机的因有误机触结合发体使，上是开、关下磁桥阻电臂机直的通创造故性障发的展。隐患；
特种电机演讲16
DSPM 电机（双凸极永磁电机 ）是磁阻电机和永磁电 机的有机结合体，是开关磁阻电机的创造性发展。
开关磁阻电机的双凸极结构在转矩输出方面有一些问题，
主要表现在:
为了解决这些问
(1) 由于主开关必须在电感较大处关断，电流换相较慢，从 而降低了转矩输出；
题，90 年代初， 人们将永磁材料 嵌入转子(或定子)
5.由于主磁路中放有两块磁导率与空气相近的永磁体， 绕组电感比SR电机要小很多。
优点
双凸极永磁电机
1、结构简单，无刷，转子上无绕组和永磁体，可靠性高；
2、因主磁场由高性能永磁体建立,相绕组匝数较少、 相电流较小，铜耗较低，故可提高系统效率；
3、因在一个转子极距中，绕组均可通电工作，产生 电动转矩，故增大了输出转矩，提高了单位体积能 量转换密度和转矩密度；
设通入的三相电流为图2 （b）所示的“理想”方波 电流，
即在相绕阻永磁磁链
Ψpm 增加区通入幅值为Im 的“正向电流”增强Ψpm ， 在Ψpm 减少区通入幅值为 Im 的“负向电流”削弱 Ψpm。
双凸极永磁电机基本结构和工作原理
基于线性假设，以一相绕组单独通电为例进行分析 ，这时 相绕组磁链Ψph为永磁磁链Ψpm 与其自感磁链Ψi 之和， 即：
电机学课件-特种电机
D1
U1 C
D2
副绕组
F2
F1
4. 电容起动运转式单相异步电动机
电容起动运转式单相异步电动机在副绕组回路 中串联两个互相并联的电容器, 其中一个为起 动电容和—个起动开关串联, 另—个为工作电 容, 使得电动机既具有较好的起动性能, 又具有 较好的运行性能, 如图4-14所示。
D1
主 绕
1
组 D2
n U2 Ra T
Ce CTCe 2
n n1
n2
U 2'
U
'' 2
U
''' 2
U
' 2
n3
U
'' 2
0
U
''' 2
T
7. 交流伺服电动机
交流伺服电动机就是两相异步电动机, 它的定 子上有空间相差90o两相分布绕组, 一相为励 磁绕组f, 与励磁电源连接, 另一相是控制绕组K, 与控制信号相连接 。
副绕组线径较细、匝数较少, 电抗小, 阻值大。 它们的轴线在空间相隔90°电角度, 启动电流不 同相, 形成椭圆磁场。
K D1
起动绕组与起动开关K串联后 和工作绕组并联按到同一单相
电源上, 如图所示。当电动机转
U1
主绕组
速上升到70～80％同步转速时, 通过起动开关K断开起动绕组
D2
电路, 使电机只有一个工作绕组
n
1 2
罩极电动机
1
2
3
k Ik Ek
罩极绕组 ——短路环
穿过短路环与不穿过短路环 的两部分磁场有时间相位 差——两个磁场在空间和时 间上不同相
合成磁场是椭圆形旋转磁 场 , 旋转方向从未罩极部分
电机学课件-特种电机学习资料
A
C
B
B
C
A
图4-35 三相反应式步进 电动机结构示意图
图4-36是一台三相六极转子有40 个齿的小步距角反应式步进电动机展 开图，A、B、C为磁极上的三相控制 绕组，每个磁极上有5个齿，与转子 上的齿具有相同齿宽和齿距。
可以计算每极下的齿为
Zr 40 6271 2mp 231 3 3
Zr为齿数，m为相数，p为磁极对数。 转子齿距为9o。
D1
U1 C
D2
副绕组
F2
F1
4．电容起动运转式单相异步电动机
电容起动运转式单相异步电动机在副绕组回路 中串联两个互相并联的电容器，其中一个为起 动电容和—个起动开关串联，另—个为工作电 容，使得电动机既具有较好的起动性能，又具 有较好的运行性能，如图4-14所示。
电动机起动后，当转速达到
额定转速的70％～80%时，起
n
1 2
罩极电动机
1
2
3
k Ik Ek
罩极绕组 ——短路环
穿过短路环与不穿过短路环 的两部分磁场有时间相位 差——两个磁场在空间和时 间上不同相
合成磁场是椭圆形旋转磁 场 ，旋转方向从未罩极部
6．直流伺服电动机
伺服电动机是把输入的电信号(如电压)变为转轴的角 位移或角速度输出的电动机。无信号到来，伺服电动 机转子静止不动；有信号到来，转子就立即转动，当 信号消失，转子立即停止。伺服电动机能带动一定的 负载，在自动控制系统中作为执行元件，所以又称为 执行电动机。
动开关断开，将起动电容Cst
Cst K
切断，工作电容C仍接在电路 中。 电容器C是运转时长期使
D1
用的，可采用金属膜纸介电容；
电容器Cst是起动时短时工作
第4章特种电机课件
性能评价与优缺点分析
1. 永磁体退磁风险
在高温或强磁场环境下，永磁体可能发生退磁现象，影响电机性能。
2. 控制复杂度高
为了实现高性能控制，PMSM需要采用复杂的控制算法和精确的传感器，增加了控制系统的复杂度和成本。
03
开关磁阻电机
工作原理及结构特点
工作原理
开关磁阻电机利用磁阻最小原理，通过控制电流脉冲的幅值、宽度和相位来实现电机转矩和转速的控 制。
驱动方式
直线电机的驱动方式主要有电压驱动、电流驱动和功率 驱动。电压驱动是通过改变电机的端电压来控制电机的 运动，具有简单、易实现的优点，但动态响应较慢。电 流驱动是通过改变电机的电流来控制电机的运动，具有 较快的动态响应，但需要较复杂的电流控制电路。功率 驱动则是通过同时改变电机的电压和电流来控制电机的 运动，具有较快的动态响应和较高的控制精度，但需要 更复杂的功率控制电路。
应用领域
主要用于微型机器人、智 能家居、玩具等领域。
光驱动微型特种电机
工作原理
应用领域
利用光能转换为机械能，通过光照射 驱动电机转动。
主要用于光控系统、微型机器人、精 密仪器等领域。
结构特点
由光电转换器件、微型电机和输出轴 等组成，具有非接触驱动、响应速度 快、精度高等优点。
THANKS
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结构特点
PMSM主要由定子、转子和永磁体组成。定子一般采用三相绕组，转子则采用 永磁体产生磁场。根据永磁体在转子上位置的不同，PMSM可分为表贴式和内 置式两种结构。
控制策略与调速方法
控制策略
PMSM的控制策略主要包括矢量控制（FOC）和直接转矩控 制（DTC）。矢量控制通过变换电流来控制电机转矩和磁通 ，实现高性能调速；直接转矩控制则直接对电机转矩进行控 制，具有快速响应特性。