第九章 无刷直流电动机

第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 表9一1给出了几种情况下的导通角ac和张角ap.表 中所给数据，是在某一相绕组通电和相应的另一 相绕组截止同时发生的情况下得出的。实际上， 通常为了保证前后两个通电状态之间不出现间断， 需要一个短暂的重叠时间，这就必须使ap略大于 表中所给出的理论计算值。 • 无刷直流电动机中的电枢磁动势在空间保持某 一状态时，转子所转过的空间电角度（即定子上 前后出现两个不同磁动势状态时，它们的轴线所 夹的电角度）称为磁状态角，或称状态，记为am。
• 由PS产生的信号便 使晶体管T2开始导 通（见图9一2)，晶 体管T1 , T3,截止。 这样，电枢绕组BY 有电流流过，电枢磁 动势的方向如图9一 4(b)所示。电枢磁动 势Fa和转子磁动势 相互作用所产生的电 磁转矩，使转子继续 沿顺时针方向旋转。
• (3)当电机转子在 空间转过4π/3 rad(电角）时，同 理传感器PS使晶 体管T3开始导通， 晶体管T1、T2截 止，相应电枢绕 组CZ有电流通过， 电枢磁动势Fa的 方向如图9-4（c） 所示。
9一1无刷直流电动机的结构
• 当转子的扇形部分转到使 定子于某相的输入和输出 线圈相藕合的位置时，该 相输出线圈就有电压信号 输出（在图9一3所示的位 置，则Na线圈有电压信号 输出），而其余未藕合的 线圈则无电压信号输出。 利用输出电压信号就可以 去导通与电动机定子绕组 相应的晶体管，进行 • 电流切换。
9一1无刷直流电动机的结构 无刷直流电动机通常是由电动机本体、位置传感器和电子 开关电路三部分组成。它的原理方框图和简要的结构图如图 9一1和图9一2所示。 和图9
• 2
效果演示
9一1无刷直流电动机的结构
• 普通永磁直流电动机的电枢在转子上，永磁磁极 在定子上。而无刷直流电动机与此相反，它的电 枢在定子上，永磁磁极在转子上，与同步电动机 相似。 • 无刷直流电动机中的位置传感器的作用是检测转 子磁场相对于定子绕组的位置，并在确定的相对 位置上发出信号控制功率放大元件，使定子绕组 中的电流进行切换。从原理上说，与转子安装在 同一个轴上的任何一种角位移传感器都可以作无 刷电机的位置传感器用。如光电位置传感器、电 磁式位置传感器和磁敏式传感器。下面以电磁式 位置传感器为例，对其原理予以简单的介绍．
电流所产生的电 枢磁动势，在转 子转过2π rad电 角）时也有三个 不同位置。每个 位置所持续的时 间即为转子转过 2π/3rad（电角） 所对应的时间。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 所以电枢磁动势的 运动形式与连续旋 转的转子磁动势不 同，它在空间是跳 跃着转动。 • 现在看另一台两 极三相绕组的无刷 电机。它采用如图 9一6所示的桥式开 关电路。
第九章
无刷直流电动机
• 直流电动机的优点: • 机械特性和调节特性的线性度好，堵转转矩 大，控制方法简单。 • 缺点:是有换向器和电刷。 • 交流伺服电动机的优点:是没有换向器和电刷，维 护方便，无火花，无电磁干扰，能在恶劣的环境 下可靠工作。 • 缺点:是机械特性和调节特性具有非线性，转矩小， 效率低。 • 因此，人们很早就开始探索直流电动机的无刷化， 以使它同时具有直、交流电动机的优点。随着电 力电子技术的发展，无刷直流电动机已经得以实 现。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理 • 二、定子绕组的通电状 态 由上述分析可以看出， 在三相非桥式晶体管开 关电路换流的无刷直流 电动机中，当转子转过 2π rad（电角）时，定 子绕组共有三个通电状 态，每一状态仅有一相 导通，而其它两相截止， 其持续时间应为转子转 过2n/3 rad(电角）所对 应的时间。
• 并由它与转子磁动势相互 作用产生转矩，仍使转子 沿顺时针方向旋转。 • 若电机转子继续转过2π/3 rad(电角），又回到原来 的起始位置，同样通过位 置传感器，再次重复上述 的换流情况。如此循环进 行，无刷直流电动机在电 枢磁动势和转子磁动势的 相互作用下，产生转矩并 使电机转子按一定的转向 旋转。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 各相绕组与晶体 管导通顺序的关 系如表9一2所列。 各相绕组中电流 的波形如图9一5 所示。上述三相 非桥式电路的通 电方式称为一相 导通星形三相三 状态．
第九章 • 表２
9-2无刷直流电动机的工作原理
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 显然，定子绕组
9-1无刷直流电动机的结构 • 一般所说的无刷直 流电动机是指采用 晶体管作为电子换 向开关元件的电动 机。而在容量较大、 电 • 压较高的场合，通 常采用晶闸管作为 开关元件，则被称 为无换向器电动机。
第九章
9-1无刷直流电动机的结构
•
无刷电机的电枢绕 组是多相绕组，可 接成星形或角形 （封闭形），各相 绕组分别与晶体管 开关电路中的功率 开关元件连接，如 图9一2所示。其中 A相与晶体管T1， B相与晶体管T2， C相与晶体管T3相 接。。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 由于无刷直流电动机电枢磁动势凡在 空间是跳跃式转动的，因而它与连续 旋转的转子磁动势轴线间的夹角θ就 不是一个固定值。在三相非桥式的两 极电机中，θ是在1500---300范围内连 续变化；而在三相桥式时，θ角则在 1200-600范围内连续变化。这样，电 机的电磁转矩也将随着θ角的变化而 波动，可认为随θ 角呈正弦函数变化， 其最大值出现在600-900时。
第九章
9-1无刷直流电动机的结构
• 通过位置传感器测量 转子的准确位置，使 各晶体管在转子的适 当位置导通和截止， 从而控制各电枢绕组 的电流随着转子位置 的改变按一定的顺序 进行换流，保证了每 个磁极下电流的方向， 实现了无电刷的无接 触式换向
晶体管开关电路有桥式和非桥式 两种，图9 两种，图9一2中的开关电路为非 桥式电路。非桥式电路的接线法 和电路参数如表9 和电路参数如表9-1所列。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理 • 电磁转矩的波动与定 子绕组的相数和晶体 管开关电路的形式有 关。若相数越多，则 电机的电磁转矩的脉 动就越小，而且晶体 管元件接成三相桥式 电路时，电磁转矩的 脉动小于三相非桥式 电路的情况。图9-9中 表示了非桥式电路与 桥式电路两种情况下 转矩脉动的比较。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 在图9一4中表示电动机转子在几个不同位 置时，定子电枢绕组的通电状况。通过电 枢’绕组磁动势和转子绕组磁动势的相互 作用，来分析电动机电磁转矩的产生。 •
• (1)当电机转子处 于图9 -4(a)的瞬 间，位置传感器 PS的扇形导磁部 分位于图示位置 处，它的输出线 圈Na,开始与输入 线圈相藕合，便 有电压信号输出， 其余两个输出线 圈Nb , Nc.的输出 电压为零．
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 三、转矩的脉动 直流电动机的电磁转矩可以认为是定子的电枢磁 动势和转子磁动势相互作用所产生的． 若略去铁心磁路饱和的影响和磁动势的高次谐波， 可用下式进行计算 • Tem＝KFaFrsin θ＝Tm sinθ (9一3） • 式中：K—常数； • Fa—定子电枢磁动势； • Fr—转子磁动势； • θ—电枢磁动势和转子磁动势轴线间的夹角 （电角度）； • Tem=KFf Fr电磁转矩的幅值。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 总之，无刷直流电动机在通电后，电枢绕组在位 置传感器的信号控制下，根据转子的位置不断使 定子绕组换流，使定子绕组产生一个步进式的旋 转磁场。在该旋转磁场的作用下，永磁转子就连 续不断地旋转起来。 • 无刷直流电动机每相绕组通电时，转子所转过 的空间电角度称为导通角，记为ac。转子位置传 感器的扇形片张角ap（见图9-7)应该等于ac.导通 角ac和传感器张角ap与电机电枢绕组的形式，开 关电路的形式和通电方式有关。对于三相和四相 电机，有 • ac＝ap＝2π/m（rad） (9一1） ＝ ＝ （ ） • 式中m为电机相数。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理 • 但是，当电机选用的 定子相数越多，它的 转子位置检测元件和 晶体管元件的数目也 相应增多，开关电路 也就越复杂，这样将 使电机工作的可靠性 降低并增加其成本。 所以，通常电机定子 绕组相数不宜过多， 以3～6相较为合适。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
第九章
• 3
9-1无刷直流电动机的结构
• 随着转子扇形部分的位 置变化，便可依次使定 子绕组进行换流，并产 生超前转子的步进式旋 转磁场，于是电动机就 旋转起来。 • 电磁式位置传感器的输 出电压较大，通常不需 要再经过放大器便可直 接用来导通晶体管。但 因输出电压是交流，必 须先进行整流。
第九章
• 表1
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 一、电磁转矩的产生 • 无刷直流电动机中，来自位置传感器的驱 动信号，按照一定的规律，使某些功率元 件在某一瞬时导通或截止，从而接通或断 开相应的电枢绕组中的电流。电枢绕组内 电流导通或断开的变化过程称为换流。 •
下面以采用非桥式晶体管开关电路进行换流的两极三相绕组， 并带有电磁式位置传感器的无刷直流电动机为例，说明产生 电磁转矩的基本原理。电动机的结构简图见图9 电磁转矩的基本原理。电动机的结构简图见图9一2和图9一3. 和图9
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理 • 它的电磁式位置传感 器如图9一7所示，图 中N1– N6为传感器 的输出线圈，输入线 圈（又称励磁线圈） 图中未画。这时，三 相绕组和晶体管元件 导通顺序的关系如表 9一3所列，表中ac表 示导通角。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 电枢磁动势相量图 如 图9一8所示。可以看 出，电机有6个通电状 态。每一状态所持续 的时间应为转子转过 （π/3) rad(电角）的 时间，且每一状态都 是两相同时导通。三 相电机的这种通电方 式称为两相导通星形 三相六状态。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 当转子转过2π rad(电角） 时，电枢磁动势在空间有六 个不同位置，相邻的两个磁 动势向量夹角为 （π3)rad(角）。 • 由上可知，与步进电机相似， 无刷直流电机也可以具有不 同的通电方式。在每种通电 状态 • 中，可以是一相绕组通电， 也可以是两相或多相绕组同 时通电。无刷电机也有类似 于步进电动机的“单拍制” 和“双拍制”。
• 四、电机反转 • 普通直流电动机中，由于机械换向器的 导电方向是可逆的，只要变换供电电源的 极性，就能使电枢绕组中的电流反向，实 现电机的反转。而在无刷电机中，倒转往 往并不这样简单，仅仅改变电源极性一般 是不够的，还要采用其它措施。无刷直流 电动机旋转方向的改变和步进电动机很相 似，都是通过改变绕组的通电顺序来实现 的，但两者的途径不同。
第九章
9-1无刷直流电动机的结构 • 电磁式位置传感器的原 理如图9一3所示。它由 定子1和转子2两部分组 成。定子铁心及转子上 的扇形部分（即图中a部 分）均由高频导磁材料 做成。在定子铁心上也 分成与电动机定子绕组 相对应的相数，每相都 嵌有输人线圈和输出线 圈，并在输人线圈中外 施高频电源励磁。转子 与电机同轴联接。
第九章
Βιβλιοθήκη Baidu
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 由PS给出的信号使晶体 管T1开始导通（见图92)，而晶体管T2,T3,截 止．这样，电枢绕组AX 有电流流过，电枢磁动 势Fa的方向如图９－４ 所示．电枢磁动势Fa 和转子磁动势相互作用 就产生电磁转矩，并使 转子沿顺时方向旋转．
• (2)当电机转子在 空间转过2/3 rad(电角）时， 位置传感器的扇 形导磁部分也转 过同样的角度， 从而使输出线圈 Nb。开始有电压 信号输出，其余 两个输出线圈Na, Nc。的输出电压 为零。
第九章
9-2无刷直流电动机的工作原理
• 状态角取决于转子转过2π rad(电角）期间 通电的状态数，有 • am=2π/mK (rad) (9-2) • 式中：m—电枢绕组的相数； • K—电枢绕组导通的状态系数。 • mK是转子转过2π（rad）的状态数。 一般取K=1或K＝2。 • 几种不同情况下无刷直流电动机的磁状态 角见表9一1。