1、 內(nèi)轉(zhuǎn)子，外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子，外定子 外轉(zhuǎn)子，內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子，內(nèi)定子 無刷直流電動機基本結(jié)構(gòu) X C Y A N B Z N S A X B Y C Z S N 1相關(guān)知識 無刷直流電機的基本原理 BLIf 一、直流電機 基本原理的公式體現(xiàn)： f 磁軛（Fe) 定子鐵心（Fe) 磁極+勵磁線圈/永磁體 電樞=定子鐵心+導(dǎo)體+換向器 2相關(guān)知識 電機是： 合二為一，各伺其職！ 合二為一： 定子 轉(zhuǎn)子 各伺其職： 定子：產(chǎn)生電流I 轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生磁場B f=BIL 3相關(guān)知識 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 假定電機定子為3相6極，星型連接。轉(zhuǎn)子為一對極。 4相關(guān)知識 電流方向不同時，產(chǎn)生的磁場方向不同。 若繞組的繞線方向一

2、致，當(dāng)電流從A相繞組流進， 從B相繞組流出時，電流在兩個繞組中產(chǎn)生的磁動 勢方向是不同的。 5相關(guān)知識 6相關(guān)知識 7相關(guān)知識 8相關(guān)知識 9相關(guān)知識 霍爾傳感器和定子繞組是固定不轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子是永久磁鐵，磁鐵經(jīng)過轉(zhuǎn)子霍 爾傳感器后，霍爾器件產(chǎn)生一個脈沖。 10相關(guān)知識 當(dāng)將一塊通電的半導(dǎo)體薄片垂直置于磁場中時，薄片兩側(cè)由此會產(chǎn)生電位 差，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 霍爾集成電路具有無觸點、無磨損、無火花、低功耗、壽命長、靈敏度高 、工作頻率高的特點。 霍爾集成電路是霍爾元件與電子線路一體化的產(chǎn)品，它是由霍爾元件、放 大器、溫度補償電路和穩(wěn)壓電路利用集成電路工藝技術(shù)制成的。它能感知 一切與磁有關(guān)的物理量

3、，又能輸出相關(guān)的電控信息，所以霍爾集成電路既 是一種集成電路，又是一種磁敏傳感器。 11相關(guān)知識 12相關(guān)知識 13相關(guān)知識 100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110 14相關(guān)知識 三相永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子 位置傳感器輸出信號Ha、Hb、 Hc在每360電角度內(nèi)給出了6 個代碼，按其順序排列，6個代 碼是101、100、110、010、011、 001。當(dāng)然，這一順序與電動機 的轉(zhuǎn)動方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反 了，代碼出現(xiàn)的順序也將倒過 來 圖5是三相永磁無刷直流電動機 的電子換向器主回路，也就是 由6只功率開關(guān)元件組成的三相 H形橋式逆變電路

4、。 三相直流無刷電動機的換相原理 4 51 A B C X Y Z 圖圖5 三相永磁無刷直流電動機三相永磁無刷直流電動機 的電子換向器主回路的電子換向器主回路 3 2 6 15相關(guān)知識 一、電樞繞組的反電勢一、電樞繞組的反電勢 單根電樞繞組在氣隙磁場中的感應(yīng)電勢單根電樞繞組在氣隙磁場中的感應(yīng)電勢 式中：式中：B B 氣隙磁感應(yīng)強度；氣隙磁感應(yīng)強度； l 導(dǎo)體的有效長度；導(dǎo)體的有效長度； v 轉(zhuǎn)子相對于定子導(dǎo)體的線速度。轉(zhuǎn)子相對于定子導(dǎo)體的線速度。 Blve 對于線速度對于線速度v 有：有： 式中：式中：n 電動機轉(zhuǎn)速，單位為電動機轉(zhuǎn)速，單位為r/minr/min； D 電樞內(nèi)徑；電樞內(nèi)徑； p

5、 極對數(shù)；極對數(shù)； 極距。極距。 60 2 60 n pn D v 16相關(guān)知識 如果定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù)是如果定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù)是N，則，則每相繞組的反電勢為：每相繞組的反電勢為： 方波氣隙磁感應(yīng)強度對應(yīng)的方波氣隙磁感應(yīng)強度對應(yīng)的每極磁通為：每極磁通為： 其中，其中，是計算極弧系數(shù)。因而有：是計算極弧系數(shù)。因而有： nN p n Np E X 1515 n lBNp n p NBlNeE X 60 4 60 2 22 lB 考慮到三相永磁方波電動機是兩相同時通電，所以，線電勢考慮到三相永磁方波電動機是兩相同時通電，所以，線電勢E E為兩相為兩相 電勢之和：電勢之和： nCnN p EE

6、 eX 15 2 2 計算極弧系數(shù)的定義為：一個極計算極弧系數(shù)的定義為：一個極 距內(nèi)的氣隙磁密平均值和氣隙磁距內(nèi)的氣隙磁密平均值和氣隙磁 密最大值的比值。密最大值的比值。 磁通：通過某一截面積的磁力線總數(shù)，用磁通：通過某一截面積的磁力線總數(shù)，用 表示，單位為韋（伯）表示，單位為韋（伯）WbWb；磁感應(yīng)強度；磁感應(yīng)強度 是與磁力線方向垂直的單位面積上所通過是與磁力線方向垂直的單位面積上所通過 的磁力線數(shù)目，又叫磁力線密度，也叫磁的磁力線數(shù)目，又叫磁力線密度，也叫磁 通密度，用通密度，用B B表示，單位為特（斯拉）表示，單位為特（斯拉）T T。 17相關(guān)知識 方波電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方波電動機的電磁轉(zhuǎn)

7、矩Te 是由兩相繞組的合成磁場與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用是由兩相繞組的合成磁場與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用 而產(chǎn)生的。而產(chǎn)生的?？梢岳霉β逝c速度的關(guān)系來計算電磁轉(zhuǎn)矩可以利用功率與速度的關(guān)系來計算電磁轉(zhuǎn)矩。 式中：式中： 角速度，角速度， I I 電樞電流電樞電流 E E 兩相電動勢之和兩相電動勢之和 EI Te 60 2 n 二、電磁轉(zhuǎn)矩二、電磁轉(zhuǎn)矩 對于轉(zhuǎn)矩則有：對于轉(zhuǎn)矩則有： （5-3） 從式（從式（5-25-2）和式（）和式（5-35-3）可以看出，三相永磁方波電動機與永磁直流電動機）可以看出，三相永磁方波電動機與永磁直流電動機 有完全相同的反電勢公式和轉(zhuǎn)矩公式。有完全相同的反電勢公式和轉(zhuǎn)矩公式。

8、ICIN p n nIN p T t 4 60 2 15 2 e 18相關(guān)知識 直流電機的基本方程式 )(VnCE e 2)電磁轉(zhuǎn)矩T 一對磁極的磁通(Wb); n電樞轉(zhuǎn)速(r/min); Ce 電勢常數(shù). 式中: 1)感應(yīng)電勢E ).(mNICT at 式中: T電磁轉(zhuǎn)矩(Nm); Ia電樞電流(A); Ct轉(zhuǎn)矩常數(shù). 2 15 e i p CW 4 T i p CW a 19相關(guān)知識 直流電動機的機械特性 原理電路圖 aa RIEU 直流電動機電樞電壓平衡方程式 nnT CC R C U n te a e 0 2 20相關(guān)知識 直流電動機的自然機械特性 在額定電壓,額定磁通,電樞電路內(nèi)不外

9、接電阻時的機械特性即為自 然機械特性. 永磁無刷直流永磁無刷直流 電動機的機械電動機的機械 特性曲線對比特性曲線對比 21相關(guān)知識 改變電樞電壓的人工機械特性 n0隨U的變化而變化 但轉(zhuǎn)速下降速率不變 .因此,變電樞電壓的人工機械特 性是一簇與自然機械特性平行的 特性曲線. 22相關(guān)知識 改變磁通的人工機械特性 從機械特性方程可知,改變磁通時, 電動機的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降 落都會隨磁通的變化而變化. 磁通只能在額定值以下調(diào)節(jié),理想 空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都要增大- -弱磁增速. 23相關(guān)知識 電機的繞組 永磁無刷直流電機分數(shù)槽集中繞組 采用分數(shù)槽技術(shù)的優(yōu)點： 1)平均每對極下的槽數(shù)大為減少, 以

10、較少數(shù)目的大槽代替數(shù)目較多的小槽, 可減少 槽絕緣占據(jù)的空間, 有利于提高槽滿率, 進而提高電動機性能; 同時, 較少數(shù)目的元 件數(shù), 可簡化嵌線工藝和接線, 有助于降低成本。 2)可改善反電勢波形的正弦性。 3)分數(shù)槽繞組電機有可能得到線圈節(jié)距y = 1的設(shè)計(集中繞組) 。每個線圈只繞 在一個齒上,縮短了線圈周長和繞組端部伸出長度, 減低用銅量; 各個線圈端部沒有 重疊, 不必設(shè)相間絕緣。所以有文獻稱這種繞組為非重疊繞組。 4)分數(shù)槽集中繞組便于使用專用繞線機, 直接將線圈繞在齒上, 取代傳統(tǒng)嵌線工藝, 提高工效。 5)提高電動機性能。槽滿率的提高、線圈周長和繞組端部伸出長度的縮短, 使電

11、 動機繞組電阻減小, 銅損隨之也減低, 進而提高電動機效率和降低溫升。 6)分數(shù)槽的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩由于每轉(zhuǎn)次數(shù)較多,幅值通常比整數(shù)槽繞組小, 定子鐵心 無須斜槽,有利于降低振動和噪聲。 分數(shù)槽繞組的定義：每極每相槽數(shù)q=Z/2mp不為整數(shù)的繞組稱為分數(shù)槽繞組 24相關(guān)知識 單元電機Z0 和p0 組合選擇的約束約束條件條件: 分數(shù)槽電機的Z0 和p0 組合不是可以任意選擇的。 1)為了使各相繞組對稱, 必須每相均分到相同的槽數(shù), 即必須Z0 /m =整數(shù)。對于三 相電機,m = 3, Z0必須為3的倍數(shù)。 2)由于Z0 / p0 為不可約分數(shù), 因此: p0 /m 整數(shù), 即p0 不允許是m 的倍

12、數(shù)。對于三 相電動機,m = 3, p0 不允許選擇為3的倍數(shù)。 3)如果Z0 為偶數(shù), 因Z0 / p0為不可約分數(shù), p0必為奇數(shù)。 4)如果Z0 為奇數(shù), p0 可能是奇數(shù), 也可能是偶數(shù)。 25相關(guān)知識 通過磁勢相量星形圖對電機繞組及霍爾位置的分析 以12齒5極對電機舉例說明 26相關(guān)知識 27相關(guān)知識 這種結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的表 面上，永磁體的充磁方向為徑向。 表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又可分為凸出式和插入式兩種 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電機的運行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝 和適用場合也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同，永磁同 步電機的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)通常分為兩種：表貼式和內(nèi)

13、置式 表貼式表貼式 電氣學(xué)院 28相關(guān)知識 表貼凸出式和插入式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)圖 電氣學(xué)院 29相關(guān)知識 其結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，轉(zhuǎn)動慣量較小，多用于矩形 波永磁同步電動機和恒功率運行范圍不寬的永磁同步電動 機中 1）表貼凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 2）表貼插入式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁路的不對稱性所產(chǎn)生的磁 阻轉(zhuǎn)矩，提高電機的功率密度。制造工藝也較簡單。通常 用于某些調(diào)速永磁同步電動機中。 電氣學(xué)院 30相關(guān)知識 這類結(jié)構(gòu)的永磁體放置在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，永磁體外表面與 轉(zhuǎn)子鐵心外圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放 置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或（和）啟動作用，動、穩(wěn)態(tài) 性能好。廣泛用于

14、要求有異步啟動能力或動態(tài)性能高的永 磁同步電動機。 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又可分為：徑向式、切向式、混合式 內(nèi)置式內(nèi)置式 電氣學(xué)院 31相關(guān)知識 1）內(nèi)置徑向式 電氣學(xué)院 32相關(guān)知識 永磁體材料的選擇永磁體材料的選擇 永磁體及其性能多種多樣，如何選擇合適的永磁材料直接關(guān)系到電機的 性能和經(jīng)濟性。永磁體的選擇應(yīng)滿足以下要求： 永磁體應(yīng)能在指定的工作空間內(nèi)產(chǎn)生所需要的磁場 永磁體所建立的磁場應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性，磁性能隨工作溫度和環(huán)境 的變化應(yīng)在允許范圍內(nèi) 具有良好的耐腐性性能 具有較好的力學(xué)特性，韌性好、抗壓強度高、可加工等 價格合理，經(jīng)濟性好 電氣學(xué)院 33相關(guān)知識 鐵氧體：適合于對電機體積、重量

15、和性能要求不高，而對電機的經(jīng)濟 性要求高的場合。 鋁鎳鈷：適合于對電機體積、重量和性能要求不高，但工作溫度超過 300度或要求溫度穩(wěn)定性好且電機的成本不高的場合。 釹鐵硼：適合于對電機體積、重量和性能要求很高，工作環(huán)境溫度不 高，對永磁體溫度穩(wěn)定性要求不高的場合。 稀土鈷：適合于對電機體積、重量和性能要求很高，工作環(huán)境溫度高， 要求溫度穩(wěn)定性好，制造成本不是主要考慮因素的場合。 粘結(jié)永磁材料：適合批量大、磁極形狀復(fù)雜、電機性能要求不高的場 合。 電氣學(xué)院 34相關(guān)知識 轉(zhuǎn)子設(shè)計 35相關(guān)知識 轉(zhuǎn)子設(shè)計 36相關(guān)知識 損耗與效率 概述 電機損耗可分為下列5類： （1）定、轉(zhuǎn)子鐵心中的基本鐵耗，它是由主磁場主磁場在鐵心中發(fā)生變化變化時產(chǎn)生的。 （2）空載時鐵心中的附加（或雜散）損耗，它是由定轉(zhuǎn)子開槽引起的氣隙磁導(dǎo)變化 而產(chǎn)生的諧波磁場在對方表面產(chǎn)生的表