第三章稀土永磁无刷直流电动机.docx
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第三章稀土永磁无刷直流电动机
■无刷直流电动机的发展
■无刷直流电动机的优点
■稀土永磁无刷直流电动机的优越性
■无刷直流电动机的构成
■无刷直流电动机的系统图
■稀土永磁无刷直流电动机结构
■电机理论
■稀土永磁材料■电力电子器件■专用集成电路■计算机
■新型控制理论
■可靠性高
■维护方便
■结构简单
■特性好
■散热容易
■转速不受机械换向限制
■噪声小
稀土永磁无刷直流电动机的优越性
■体积小、重量轻
■转动惯量小、动态特性好
■气隙大、力矩脉动小
■方波电机设计、方波驱动
■抗去磁能力强
■磁路设计简化
无刷直流电动机的构成框图
输岀
■
>
无刷直流电动机系统总体框图
无刷直流电动机的系统图
稀土永磁无刷直流电动机工作原理示意图
Me
trm
V■〜V.
A
A
（G
（）X
图（a）,电流流通路径：
电源正极—VI—A相—B相—V6-一电源负极图（b）,电流流通路径：
电源正极—VI—A相—C相—V2-一电源负极从（a）到（b）的60°电角范围:
■转子磁场连续转动
■定子合成磁场不动
稀土永磁无刷直流电动机工作原理
■定子合成磁场为跳跃式旋转磁场，每个步进角是60°电角
■转子每转过60°电角，逆变器开关管换流一次
■电机有6个磁状态，每一磁状态均为两相导通
■120°导通型逆变器：
■每相流过电流的时间相当于转子转电角
■每个开关管的导通角为120°
两相导通屋形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表
稀土永磁无刷直流电动机结构示意图
图3—4
稀土永磁无刷直流电动机结构示意圏
!
—转轴;2—前端盖?
3—螺钉;4—调整垫片$5—轴承汴一定子组件I
S
稀土永磁转子结构型式
稀土永磁无刷直流电动机转子结构
（a）瓦形永磁体径向磁化矩形永磁体切向磁化；环形永磁徉径向磁化.
1—紧圈§2—稀土永磁体孑3—诙心M—转轴。
稀土永磁无刷直流电动机的逆变器
■两种主电路形式:
■桥式
■非桥式
■最常用的主电路
■三相星形六状态
■三相星形三状态
Gi）
十。
l*彳权*弋［*
^rry
AIrFI/"
—
+*彳权仆平
（/）
转子位置传感器
■作用：
检测转子磁极相对于定子绕组轴线的位置■常用的形式:
■磁敏式
■电磁式
■光电式
■接近开关式
第二节基本公式
■方波电动机
■普通无刷直流电动机
■数学模型
方波电动机
■稀土永磁
■径向激磁
2^7
方波电动机
图梯形液反电蛰与方彼电流
>■集中整距绕组
q=l
■二相导通星形三相六状态
■磁场宽度＞120°
■电势平顶宽〉120。
1.电枢绕组感应电势
单根导体在气隙磁场中感应电势为
€=BsLv（V）（3-1）
式中B&为气隙磁感应强度；
L为导体的有效长度；
v为导体相对于磁场的线速度：
ttD-n
v=——n-2pv——（m/s）（3-2）
6060"（丿
其中n为电机转速（「/min）
D为电枢内径；
T为极距；
p为极对数。
■设电枢绕组每相串联匝数为％
■则每相绕组的感应电势为
Ee=2W（V）（3-3）
■将式（3-2）代入式（3・1）得
①$=Bsa^L
（Wb）
式中匕为计算极弧系数
■则有
e=2p^8-^-
6也
（V）
（3-5）
（3-6）
■方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为
1.电枢绕组感应电势
■将式（3・6）代入式（3・3）得每相绕组感应电势
E^=-^—W^sn（V）Q-7）
1込
■则线电势，即电枢感应电势为
E=2E（p==Ce^）m
1込（V）（3-8）
式中g=为电势常数
15ai
2・电枢电流■在每个导通时间内有以下电压平衡方程式
U-2AU=E+2Lra
式中U为电源电压；
△"为开关管的饱和管压降;
I。
为每相绕组电流；兀为每相绕组电阻。
■由上式得
la=
U-2AU-E
（A）
（3-10）
3.电磁转矩
■在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场与转子永磁场相互作用而产生，则
几”二2E>la二Ela（N.m）（3-11）
em~Q_Q
2加2
式中°=莎为电机的角速度
3.电磁转矩
2e_w0①評乙
（3-12）
Tem=區纭—=eg（N.m）
~6Q
式中Ct=^W^为转矩常数
7vai
4.转速
■将式（2-8）代入式（2-9）得
Un=—
空载转速为
-2AU-2Lra
C4
f/-2AU
Ce①5
t/-2AU
—z—/
2p1
15ck
U・2z\U
pW/I）5o
（r/min）
（r/min）
普通无刷直流电动机
■普通永磁材料励磁
■气隙磁场近似为正弦波
■电势近似为正弦波
■设计中近似处理一仅考虑基波
表3—2稀土永磁方波电动机与普通无刷直流电动机
公式对照表
物理量
方波电动机
普通无刷苴流电动机
星
形
相
状
态
相电势福值Em
平均电枢电流人V
平均电磁转矩:
T』v
空载转速刊
器W風咯
7T«j
心少―他
We型fl
。
。
7辔血-沖—歸
星
形
相
三
状
态
相电势幅值
a1045刘匕ilKwgn
平均电枢电流Av
平均电磁转矩Tav
空载转速«o
TCAj
«/—△&）—X48£^]
0.304—
表3—3稀土永磁方波电动机与普通无刷直流电动机
波形对照表
稀土永磁无刷直流电动机的数学模型
>
■由于方波电动机的气隙磁场、反电势以及电流都是非正弦的，因此采用直、交轴坐标变换已不是有效的分析方法
■直接利用电动机原有的相变量，即在三相定子坐标系（A,B,C）轴系下建立电机的数学模型比较方便，又可获得较准确的结果。
稀土永磁无刷直流电动机的数学模型
■以两相导通星形三相六状态为例，假设：
1定子三相完全对称；
2忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的表面内；
3忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗；
4不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似为矩形波，平顶宽度为120。
电角度；
5转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。
稀土永磁无刷直流电动机的数学模型
r
0
0_
■la
~La
Ub
=
0
r
0
h
+
Mba
Uc一
0
0
r
[_lc]
•la
5
P
+
eb
•
lc
ec
Mac
Mg
■定子电压方程
式中u小小—定子相绕组电压（V）；
気订&—定子相绕组电流（A）；◎，匂,乞一定了相绕组电动势（V）；
H—定子各相绕组的自感（H）；Mah,M^M^M^Mca.Mcb—定子每两相绕组间的互感（H）；P—微分算子p=d!
dt
稀土永磁无刷直流电动机的数学模型
上__
■因电机三相绕组完全对称，所以
La=Lb=Lc
M,=M=M.=M,=M=Mf
abacbabecacb
■令L=LaM=Mah
■则定子电压方程简化为：
r
0
0_
'L
M
M
-
5
Ub
—
0
r
0
+
M
L
M
P
h
+
eb
yc_
0
0
r
beJ
M
M
L
■lc
ec
（3-19）
j.三相方波电流和三相梯形波反电势
稀土永磁无刷直流电动机的数学模型
■当三相绕组为星形连接，且没有中线，则有
L+心+.=°
■并且
“诂+Mic=-Mia
■代人式（3—19），得电压方程为:
r
0
0_
■
~L-M
0
Ub
=
0
r
0
ib
+
0
L-M
U-
0
0
r
LzcJ
0
0
■JI
■电磁转矩为
■式中®—转子角速度
方波驱动电机的等效电路图
L—M
—rL—M
图3—70方波电动机的等效电路图
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