（电机与电器专业论文）风机用外转子永磁无刷直流电机及其驱动系统的设计.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t h lc l i i m ，a i r - p i m l p sc o n s 岫em o e l e c 仃i c i 移也跹卸yo t l l c ri l l d l l s t r i a le q u i p m e n t s 锄d t l l ec o n s 衄1 p t i o no f t l l ep u n 叩so c c u p y4 0 o f t h e t i r ee l c c 仃i cp o w e r t h ee 伍c i 即c yo f o l l ra i r 巾啪p si sl o t o3 0 l o w c rt l l a na b r o a d s oa d a p d n gt l l ep t l m p sf b rc n 吲 c m r 嘶o ni sa n1 1 r g e n tt a s k n sv e r ym e 她g 丘d 白r k a s i n g 也ec 0 1 i b 锄曲m o nb e t w e c n s u p p l ya n dd e m a n do fe l 仃i c i 劬i l l l p f o “n gt l l ec o n s 协l c d o no fm o d 锄i z a 矗衄觚d n a 丌o i n gt l l eg a pb c t e o i l rs t 咖粕dd e v e l o p e dc 删鹳 1 1 l c 舭l a l l a l ea j - - p l l n 驴( 1 1 嘶) h a v ct h e i ro w np r o p e m e s e hi n d m d u a l c o n s 啪部l i 砌eb u tt h eq l l a n d 石e so ft l l ep u 坤sa 1 a r g e s oi ti su s e f u l 蕾o d l i t i 塘 c o n s u m p 吐o no ft l l es m a l l - a l ea i r 巾m 珥硌h o w e 、惯f 苦wo fu s 血i n km 埘c ho fi ti np a s t 虹m e t m sp a p 盯p s e n t sat y p eo fp c r m 嬲e n tm 孵l e d cb 1 1 培h l e s sd cm o t o rf o rd r i v i n g s m a l l 一a l ea j r - p 1 删p s p e 衄锄e n tm a 髓e tb m s h l e s sd cm o t o r 口m b d c di sal d n do f n e w 姊em o t c i r 嘶t h 也ed c v e l o p m e n to f p o w 盯e l e c 的l l i c s 锄dp e 肋a n e n t - m a 驴c tm a t e r i a l ， i ti sw i d e l yu s e d 弱ah i 曲- p e r f b 彻a n c e “v i n gm a c l l i n eb a l l s eo f i t sa d v a n 诅g c s 如c h 雒 s i m p l es 仇l 峙n l ，r e l i a b l eo p e r a 虹a n dc o n v 钮i tm a i l l t 衄船c ew l l i c h1 1 l ea cm o 姗h a v e 锄dt h ei n l l e d e n ta d v a n t a g c s 私ai ) cm o 姗o f h i 曲e 街c i e n c y ，l o wm a 弘e te x c i t a t i o n1 0 s s 锄de x c e l l e n ts p e e dc o n 的1 1 a b i l i 够 w em o d e r a t em ew i l l d so f1 h ep u r 叩sb y g u l a t et 1 1 em o t o r s 印e e d 孤db yt h i sw a y w ec o u l dm e e tm et a r g e to f e r g yc o 嬲e m t i o n mt h i sp a p e r w e 彻啪y s i sm em o t o r 丘d m m a t 耐a l ，i 婶e ts 饥l c t l l r e ，m a g n e t i 刎o n ，舭dt h ec o e 伍c i c i l to fm a g n e ta r c sa n dw e p r o v i d et h es 衄l c m r e ，p r i n c i p l e sa n dd e s i | 弘d e m 托d so ft h em o t o r ap r o t o t y p eo ft l l e p e m l a n e l l tm a 驴e t i cb m s h l e s sd cm o t o rw 鹊m a d et od r i v et l l ec x t e m a lr o t o rp u m p s ，如d t h ed l i v i n gs y s t e m s w a s d e s i 霉l e d b y m e 出m a n d o f s p e e d 咒g u l a t i n 岛s y s 咖p c o t e c n o na n d c o s t 鼢“n 昏t h i sc o n 仃o ls y s t 锄o f b m s h l e s sd i c tc u r r tm o t o ri sb 勰c do ns p e c i a l n 山东大学硕士学位论文 i n t e 掣a t c dc i r c u 沁t h ed e s i g ns c h 锄ei st e s t e d 缸d 也es a r n p l eh 勰b nm 龇蠡c t i 】r c d t h es i 如哪e 勰dp r e d 伽l i m n tp 确册a ei ss h o w nb yt h ep r o t o t y p et r i a ls t h cc 彻血d l s ) 哦豇ni 8l 塔o dm i n l yi ns m a l lp o w 盯h 删e 8 s d i r e c tc u i r e n tm o t o rc o m r 0 1 w e 璐et h ep r o t o t y p eo ft h ep e 硼a n 饥tm a g n e t i cb m s h l e s sd cm o 协rt od r i v et l l e s m a l l - a l ea i r p l m l p sa n dt h em e a 鲫d 批s h a w 也a tt h em o t o r _ i s 肿心e 伍c i e n t h s l a w c rc o s ta n dt h ea d 啪t a _ g e s 重b ri n d i 珥仃i a l i 础0 1 1 k e yw o r d 摹：灿r - p 呲l p 、p 蹦n a n e n tm a 弘c t i cb n l s h l e s sd cm 呦r 、 e l e c 恤a lm a c h i d e s i 弘、d r i v i n gs ) r s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：i 垒丝5 望日期： 歹d d7 z 2 3 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丝垒丝导师签名：硷! 辽盔j 日期：迎孑：牟：； 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源 风机( 包括泵类) 耗电量占全国总发电量的4 0 左右，是全国耗电最大的工 业装备。展望未来，我国电能的供需形势十分严竣；另一方面，我国能源使用不 合理和浪费现象十分严重，节约潜力很大，特别是耗电量巨大的风机、泵类等的 运行效率比国外低l o 母d ，节电潜力经初步计算约为3 0 0 q o o 亿度，因此在风 机( 及水泵) 上实行节能、节电、降耗是一个紧迫的任务，对缓解我国电能的供 需矛盾、推进我国现代化建设、缩小我国和发达国家的差距具有非常现实和深远 的意义。 上世纪七十年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节 它们的流量，取得可观的节能效果。而小型风机由于单机耗电量较低，其节能方 面的研究一直未能得到充分重视。实际上，这些小型风机虽然单台的耗电量很小， 但是数量巨大，因此降低这些小型风机的耗电量同样具有十分深远的经济意义 受山东美陵美力达风机有限公司的委托，研制一种驱动小功率风机的永磁无 刷直流电机。这产品主要应用于空调机组、冷暖风机、建筑物内排风扇等场合， 风轮与外转子永磁无刷直流电机的转壳固定，通过电源控制器对电机进行无级调 速，以达到风机的调速节能目的，提升风机的整体性能，增强市场竞争力。 1 2 风机的调速节能原理 风机的基本节能方法有： ( 1 ) 减少运行时间； ( 2 ) 采用高效机器及设备( 包括控制装置、电动机、传动装置、风机等) ； ( 3 ) 减少空气动力。 显然方法( 2 ) 、( 3 ) 是风机节电的根本方法对风机进行调速控制从而调节 风量，可以减少空气动力，达到明显的节能效果，进一步采用高性能的风机驱动 电机则可使风机的节能效果更明显。因此高效高功率因数的永磁无刷直流电机调 速驱动系统，作为风机的驱动系统具有明显的节能优势。 对风机进行调速控制属于减少空气动力节电方法，是一种较好的节能方式。 它和一般常用的调节风门控制风量方法比较有着明显的节电效果图卜1 中曲线 山东大学硕士学位论文 l 为风机在恒速下风压一风量( 弘q ) 特性，曲线2 为恒速下功率一风量( l q ) 特 性，曲线3 为管网风阻特性( 风门开度全开) 。 假设风机在设计时工作在彳点效率最高，输出 风量9 为1 0 0 ，此时轴功率l 与q l 、目的 乘积面积衄d q 2 成正比。根据生产工艺要求， 当风量从q l 减到q 2 ( 例如5 0 9 6 风量) 时，如 采用调节风门方法相当于增加管网阻力，使管 网阻力特性变为曲线4 ，系统由原来的工作点 彳变为新的工作点占运行。图中看出，风压反 圈1 1 风机的特性曲线 q 而增加，轴功率与面积丑h 2 d q 成正比，减少不多。 如采用调速控制方式，风机转速由以1 降到啦，根据风机参数的比例定律，画出在 转速n 2 下的风压一风量( 弘q ) 特性如曲线5 所示，可见在满足同样风量q 2 的情 况下，风压玛大幅度降低，功率3 ( 相当于面积c 两d q 2 ) 随着明显减少，节省 的功率损耗6 r - 6 踢与面积肼聊五c 成正比，节能的经济效益十分明显。 由流体力学知道，风量q 与转速的一次方成正比，风压日与转速的平方成正 比，轴功率与转速的三次方成正比，当风量减少，风速下降时其功率降低很多。 譬如风量下降到8 0 ，转速也下降到8 0 ，则轴功率下降到5 1 ，如风量下降到 5 0 ，功率可下降到额定功率的1 3 ，当然还需要考虑由于附加控制装置的效 率影响，即使这样，节电数字也很可观。 对某一风机的调速调节风量和挡风门调节风量的对比试验表明，当取 q = o 4 m 2 g 、轴功率1 1 0 0 w ，则风量调至8 0 时，输入功率节省4 6 ，则在风量调 至5 0 时，节电7 7 。尽管风机容量较小，电机风机效率较低，但节电趋势十分 明显，节能效果相当可观i l j 。 因此对风机进行调速调风量具有明显的节电效果。 1 3 风机调速的现状 工农业中大量使用的风机、水泵亦需要调节其流量，通常是通过调节风门、 阀门的开度来完成的，这其中浪费了大量的电能。对于大功率的风机、水泵，人 们用变频器调节异步电动机转速以调节它们的流量，并取得可观的节能效果。小 型风机从1 千瓦到1 0 千瓦之间居多，作为风机电机的感应电机，功率越小，其功 山东大学硕士学位论文 率因数和效率也就越低，因此对这一功率范围的风机即使采用变频调速方式进行 风量的调节，其节能效果也受到限制。 在小型风机( 1 千瓦以下) 的应用方面，目前永磁无刷直流电机已经成功应用 在家用空调的小型轴流风机、贯流风机、电风扇和排气风扇上上世纪九十年代 初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速 的优点促进了变频空调的发展。近年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无 刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果 和进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动需要的 体积和重量为1 0 0 9 6 ，则永磁无刷直流电动机的体积为3 8 6 ，重量为3 4 8 ，用 铜量为2 0 9 9 6 ，用铁量为3 6 5 ，效率提高1 0 9 6 以上，而且调速方便，价格和异步 电动机变频调速相当。永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调剂的升级 换代。据有关数据表明：采用调速空调比普通空调节电2 0 9 6 左右由于电机效率 的大幅度提高，使小型风机的耗电量明显下降；同时这一功率级别的永磁无刷电 机及其驱动系统的成本很低，其应用前景为广大的家用空调制造厂看好。目前调 速空调已占市场总数3 0 以上嘲。 仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子 结构的驱动方式，它的体积和重量大，效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直 流电动机驱动的无刷风机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是 无例外地使用着无刷风机。这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规 格多，外框尺寸从1 5 m m 到1 2 0 吼共有1 2 种，框架厚度有6 蛐到1 8 姗共7 种，电压规格有直流1 5 v 、3 v 、5 v 、1 2 v 、2 4 v 、4 8 v ，转速范围从2 1 0 0 r p m 到 1 4 0 0 0 r p m ，分为低转速、中转速、高转速和超高转速4 种，寿命3 0 0 0 0 小时以上， 电机是外转子的永磁无刷直流电动机。 在1 1 0 千瓦之间功率范围的永磁无刷直流电机在控制上远比极小功率等级的 永磁无刷直流复杂得多，而且电机制造上通常采用磁性能很高但价格极高的稀土 永磁材料，因此电机及控制成本大大提高，导致应用广泛的这一功率范围内的风 机未采用永磁无刷直流电机驱动。 正如前所述，这一功率等级范围内的风机采用永磁无刷直流电机在节能效果 上远高于感应电机的变频调速，因此如何降低永磁无刷直流电机及其驱动系统的 山东大学硕士学位论文 成本成为其在这一功率范围内风机应用的关键。实际上，永磁无刷直流电机的控 制远比感应电机控制简单，其控制器成本也只会低于感应电机控制器，但是采用 高性能稀土永磁材料的永磁无刷直流电机尽管可以得到比感应电机高3 0 的功率 密度，但由于昂贵的磁体材料，使得永磁无刷直流电机本身的成本为感应电机的 2 倍以上 3 】，这无疑限制了永磁无刷直流电机在小功率等级范围风机上的应用。 铁氧体永磁与稀土永磁相比，尽管磁性能低，但价格极为低廉，因此铁氧体 永磁电机与稀土永磁电机相比，尽管功率密度、转矩密度低，但成本更低；由于 在风机中有很大的空间用于安装驱动电机，电机的功率密度、转矩密度低并不是 主要矛盾，重要的是电机的性能及成本。因此铁氧体永磁电机在小功率风机的驱 动中具有应用潜力，对其研究开发具有重要意义。到目前为止，铁氧体永磁电机 只在1 个千瓦功率等级下存在，未见超过1 个千瓦的铁氧体永磁电机，特别是铁 氧体永磁无刷直流电机。 1 4 永磁无刷直流电机用于风机驱动的优越性 永磁无刷直流电机由于省去了励磁用的集电环和电刷，在结构上大大简化。 同时不但改善了电机的工艺性，而且电机运行的机械可靠性大为增强，寿命增加。 永磁电机的气隙磁密可大大提高，电机指标可实现最佳设计，其直接效果就 是电机体积缩小，重量减轻。不仅如此，较其它电机而言，永磁电机还具有非常优 异的控制性能。这是因为：其一，由于永磁材料的高性能而使电机的力矩常数、 转矩惯量比、功率密度等大大提高。通过合理设计又能使转动惯量、电气及机械 时间常数等指标大大降低，作为伺服控制性能的主要指标有了很大改善。其二， 现代永磁电机中，永磁磁路的设计已较完善，加上永磁材料的矫顽力高，因而永 磁电机的抗电枢反应及其抗去磁的能力大大加强，电机的控制参量随外部扰动影 响大大减小。其三，由于用永磁体取代了电励磁，减少了励磁绕组及励磁磁场的 设计，因而减少了励磁磁通、励磁绕组电感、励磁电流等诸多参数，从而直接减 少了可控变量或参量。综合以上各因素可以说永磁电机具有优异的可控性。 目前大容量风机调节风量已有很多采用变频调速方式，这一类变频器主要依 赖进口，价格昂贵。目前1 k w 以下功率等级的风机，特别是家用空调等的风机已 有永磁无刷直流电机驱动，并采用调速调风量方式。l 1 0 k w 功率范围的风机用 量巨大，基本采用感应电机驱动，并采用调节风口开度方式调节风量。对于这一 山东大学硕士学位论文 功率范围内的风机，采用永磁无刷直流电机驱动替代原先的感应电机驱动具有巨 大的优越性。 ( 1 ) 损耗小、效率高 永磁无刷直流电机采用永磁体励磁，消除了感应电机励磁电流产生的损耗； 同时永磁无刷直流电动机工作于同步运行方式，消除了感应电机转子铁心的转频 损耗。这两方面使永磁无刷直流电机的运行效率远高于感应电机，小容量电机的 效率提高更明显 ( 2 ) 功率因数高 由于永磁无刷直流电机的励磁磁场不需要电网的无功电流，因此其功率因数 远高于感应电机，永磁无刷直流电机可以运行于1 功率因数，这对小功率电机极 为有利。 永磁无刷电机与感应电机相比不但额定负载时具有更高的效率和功率因数， 而且在轻载时更具有优势。 ( 3 ) 调速性能好、控制简单 与感应电机的变频调速相比，永磁无刷直流电机的调速控制不但简单，而且 具有更好的调速性能 ( 4 ) 逆变器容置低，因此逆变器成本低 永磁无刷直流电动机需要矩形波电流，逆变器持续运行时的电流额定值指的 就是这个矩形波的峰值。感应电机需要正弦波电流，逆变器持续运行时的电流额 定值一般指的是这个正弦波的有效值。为保持逆变器对电动机电流的控制能力， 逆变器直流电压与电动机感应电动势间应有足够的差值。因此永磁无刷直流电动 机梯形波感应电动势和感应电动机正弦波感应电动势可以达到的峰值都受到逆变 器直流电压的限制。在这种情况下，若假定永磁无刷直流电动机和感应电动机电 流的峰值相等，则前者功率输出要比后者高出3 3 ，也就是说，同一台整流器， 逆变器可以驱动比感应电机输出功率高出3 3 的永磁无刷直流电动机。 1 5 论文的主要工作 本论文的主要内容如下： 1 基于外转子风机驱动，首先简略给出永磁无刷直流电机结构、原理及一般 设计要求 山东大学硕士学位论文 2 在考虑电机制造成本的基础上，研究铁氧体永磁无刷直流电机的设计特点 和要求。 3 最后根据风机电机的驱动要求，设计制造外转子风机用铁氧体永磁无刷直 流电机样机。 4 针对风机用电机驱动系统的调速及各种保护要求，基于降低成本的原则， 设计制造永磁无刷直流电机的驱动系统。 5 最后对整体样机系统进行驱动实际风机的实验。 最后得出研究结论：铁氧体永磁无刷直流电机用于驱动小功率风机具有良好 的性能、较低的成本，具备进行产业化生产的综合优势。 山东大学硕士学位论文 第二章永磁无刷直流电机的基本原理 2 1 永磁无刷直流电机的概况 2 1 1 永磁无刷直流电机的发展历史 无刷电动机是诞生于2 0 世纪6 0 年代后期，伴随着永磁材料、微电子及电 力电子技术、电动机制造技术的发展而产生的一种新型电动机，同时也是一种典 型的机电一体化产品。它主要由电机本体、位置传感器及换向器组成，与传统电 动机相比，其转子采用永磁体作为励磁，故又称为永磁无刷电机。它用一套电子 换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，即保留了有刷直流电动机宽阔 而平滑的优良调速性能，又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点， 因此在各个领域得到了广泛应用。 永磁无刷电动机可分为方波( 注入电动机本体定子绕组为方波电流) 驱动的 无刷直流电动机( p m b d c m ) 和正弦波驱动的永磁同步电动机( p m s m ) 两种类 型。由于采用永磁体取代了原同步电动机转子中的励磁绕组，因而省去了励磁线 圈、电刷和滑环。与传统有刷直流电动机相比，p m b d c m 用电子换向取代原直 流电动机的机械换向，从而省去了机械换向器。由于p m b d c m 的定子电流为方 波驱动，在相同的峰值电流和峰值电压下，方波电流和方波磁场相互作用产生的 转矩比正弦波电流和磁场产生的转矩要大，并且相同条件下逆变器获取方波要容 易一些，此外p m b d c m 具有直流电动机的调速性能，它的控制不仅较p m s m 简单，效果也更好，因此p m b d c m 更赢得人们的广泛关注【4 】。 在国外，p m b d c m 的生产和应用取得了很大进展，如日本仓毛电器公司研 究出的k r k 系列产品，西德西门子公司推出的a d 系列产品。在大功率无刷直 流电机方面，工业级的无刷直流电动机及驱动系统已达到兆瓦级的功率范围，特 别是在美国，一些公司的p 船c 蹦产品已占据了不同的应用颁域，例如n j n k 、 u s a 的产品主要应用于工厂自动化领域，p a p s t 的产品主要应用于仪器设备领 域，k o i j 小稍0 r g 的产品主要应用于国防和航天领域。德国制成六相变频电源 供电的1 0 9 5 k w 、2 3 0 r l n i n 的稀土永磁电动机，用于舰船推进。与过去使用的直 流电动机相比，体积和总损耗都大大的降低，而且省去了电刷和换向器，维护也 山东大学硕士学位论文 方便。法国开发的1 0 0 k w 无刷直流电动机，在线圈端侧装入逆变器，重量只有 2 8 k g - 我国无刷直流电动机的研制工作起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代初期，主 要集中在一些科研院所和高等院校。我国的p m b d c m 在小功率( 几十瓦到几百 瓦) 范围内已从科研转向生产，如西安微电机研究所研制的4 5 z w 二1 ，5 5 z w 二1 ， 7 0 z w 二l 系列产品，上海交大研制的卫星上专用的p m b d c m ，上海微电机研究 所的无刷直流力矩电动机等，但大功率的无刷直流电动机尚处于研究阶段。在我 国首先大批量生产和应用的无刷直流电机是风机系列产品，这种产品具有体积小， 效率高、长寿命、无噪音、无干扰、易调速等优点，一经问世就获得大量应用， 目前在机座号上完全与交流型兼容，有逐步取而代之的可能。其后又逐步开发了 s t 、t s 、a s m 等系列产品。近年来我国在家用电器和车用电机方面亦开发 了很多新品，在军用方面也已开发出各种用途的永磁无刷直流电动机，广泛地用 于航空、舰船和特殊使用环境的设备上，为我国宇航和国防事业现代化作出了重 要贡献。但由于各方面的条件制约，特别是元器件工艺水平与国际上尚有较大差 距，目前我国无刷直流电动机的综合指标仍低于国际水平。 2 1 2 永磁无刷直流电动机技术的发展趋势 永磁无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，由电动机本体、位置传 感器和电子开关线路组成，它的发展与永磁材料、电力电子技术、计算机控制技 术和检测技术的发展密切相关。而这些技术作为极具发展潜力的新兴技术，为永 磁无刷直流电机技术的高速发展提供不竭的动力。 ( 1 ) 永磁材料的发展 与传统交、直流电动机相比，永磁无刷直流电动机的结构特点之一就是转予 磁极是由永磁材料组成，因此，永磁材料性能的优劣将直接影响到永磁电动机的 磁路尺寸、电动机本体体积、成本及其功能指标和运行特性等，可以说永磁材料 技术是永磁无刷直流电动机最为重要的物质基础和支撑技术之一。在早期，磁性 材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：从最早的铝镍钴，到铁氧体， 再到后来的钐钴合金，但这些磁性材料或者磁能积低，价格昂贵，限制了永磁无 刷直流电机性能的进一步提高及其应用范围的推广。因此自上世纪8 0 年代起， 投入大量人力物力致力于这方面的研究和开发，并取得了许多可喜的成绩，其技 山东大学硕士学位论文 术水平已达到世界先进水平。这些研究都极大地推动了永磁材料工业的产业化进 程和永磁材料技术的发展，并进而加速了高性价比永磁材料的不断问世。到1 9 8 3 年，日本研究人员发明了铁钕硼稀土永磁材料，引起了磁性材料的一场革命，它 磁能积高，价格便宜，原材料来源有保障，在永磁无刷电机制造中迅速得到推广， 使电机的体积、重量大大减少，加工工艺简化嘲。同时电机的电枢绕组也因磁性 材料性能的提高而使绕组线圈大大减少，从而提高了电机的效率。1 9 9 0 年代以后， 铁钕硼永磁材料得到了大范围的应用，在已制成的永磁无刷直流电机转子永磁材 料中几乎占据了一半以上，从而为高性能永磁无刷直流电动机的大量诞生奠定了 坚实的物质基础；同时，随着微电机制造工艺技术尤其是微细加工技术的快速发 展，在减少电动机本体制造成本及抑制齿槽转矩脉动上取得了令人可喜的成果。 今后，随着作为2 1 世纪新兴技术之一的“新材料技术”的蓬勃发展，必将进一 步加快永磁材料工业发展的速度，一些更高性价比的永磁材料也将相继问世，从 而进一步推动永磁无刷直流电动机朝着高性能，多品种化方向发展，同时也将使 得中、大容量永磁无刷直流电动机进入大范围实用化阶段，从而大大扩展永磁无 刷直流电动机的应用领域。 ( 2 ) 驱动和控制技术的发展 永磁无刷直流电动机是一个采用大功率电子开关元件组成的逆变驱动电路供 电的永磁同步电动机，电力电子技术和微型计算机技术是永磁无刷直流电动机发 展的最为重要的支撑技术之一，其中大功率半导体器件的发展严重制约着永磁无 刷直流电动机的发展水平电力电子技术自2 0 世纪5 0 年代后期诞生以来，发 展速度很快，其主功率器件经历了从最初的晶闸管一g i r m o s 肼一i g b t ，从 而使永磁无刷直流电动机具有更大的容量和更高的过载能力。特别是1 9 7 0 年以 来，各种高速、全控型器件先后问世，使电力电子技术朝着全控化，集成化、高 频化和多功能化方向发展，为逆变器实现智能化、高频化和小型化等创造了条件 f 6 】【8 】在p w m 技术中采用功率场效应晶体管( m o s f e t ) 和绝缘栅双极性晶体管 ( i g b d ，开关频率可达1 0 妊乜以上，电磁噪声和电流波形都得到了改善。这些为 永磁无刷直流电动机的驱动电路性能的提高开辟了道路。 微型计算机自2 0 世纪6 0 年代后期诞生以来，发展速度十分迅猛，其应用 领域几乎成几何级数增长，如今已成功进入国民经济及社会发展的各个领域，而 山东大学硕士学位论文 电机控制也不例外永磁无刷直流电动机性能的改善和提高，除了与制成电动机 本体尤其是转子永磁材料及电子驱动电路有关外，更与其控制器密切相关，而由 于永磁材料和功率半导体器件性能的提高受到许多客观因素的制约和影响，在一 定条件下具有一定的局限性，因此自2 0 世纪8 0 年代以来随着微型计算机技术、 控制技术、控制理论等的飞速发展，人们更多地从提高控制器性能这条途径着手 来提高永磁无刷直流电动机的性能，并取得了一些可喜的成果。特别是电机控制 专用集成电路的出现，保证了无刷直流电动机性能的快速提高。此外先进的控制 方法被相继引入无刷电机控制器，从而推动着永磁无刷直流电动机朝着高智能化、 柔性化、全数字化方向发展。为其进入数字化时代开辟了新纪元。 ( 3 ) 位置检测技术的发展 永磁无刷直流电动机自身是一个闭环系统，必须通过转子磁极位置信号来做 为电子开关线路的换相信号，因此准确检测转子磁极位置并根据转子位置准确切 换功率器件的触发组合状态是控制无刷直流电机正常运行的关键。而实现永磁无 刷直流电动机的转子磁极位置检测有两种方式：直接位置检测( 有位置传感器) 和间接位置检测( 无位置传感器) 阱【】。早期大都采用直接位置检测法，将转子 上安装位置传感器来实现对转子位置的实时检测，常用的位置传感器有霍尔元件、 增量式编码器、绝对值光电编码器和旋转变压器等，这种是最直接有效的方法。 但由于永磁无刷直流电动机体积偏小尤其是小功率伺服驱动系统，往往直接在转 子上安装上述位置传感器有些不便。因此无位置传感器的永磁无刷直流电动机成 为人们的研究目标。其中最简单的一种是根据永磁无刷直流电动机本体，通过辩 识的方法来实现转子磁极位置的阃接测量，即利用检测定子绕组的感应电动势过 零点来间接获得转子磁极位置，故称间接法。与直接法相比，它省去了位置传感 器，从而简化了电动机本体结构的复杂性，特别适合于小尺寸、小容量永磁无刷 直流电动机。但由于反电势大小和电机的转速成正比，因而在起动和低速运行时， 必须采取其他方法。通常是按它控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，直 至转速足够大，再切换至无刷直流电动机运行状态。但外同步运行的成功与否和 负载的大小、形式直接相关，如负载的惯性很大，则对外同步的频率控制显得尤 为困难。同时无传感器位置检测也难以满足精度和实时性的要求，但2 0 世纪8 0 年代以后，随着微机技术的快速发展，使得无转子磁极位置传感器的永磁电机进 山东大学硕士学位论文 入实用化阶段。另外，随着多功能传感器的问世，在永磁无刷直流电动机伺服驱 动系统中已有用一个传感器同时检测转子磁极位置、速度及伺服位置的实际应用 成果，从而大大简化了系统结构。相信今后随着检测技术的进一步发展，更为先 进的速度及转予位置辩识方法必将推动无传感器永磁无刷直流电动机走向实用 化。 2 2 永磁无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机又名自控式同步电机，实质上可看作是一台用电子换相装置取 图2 1 永磁无刷直流电机系统的组成 代机械换相的直流电机。无论从结构或控制方式上来看，无刷直流电动机与传统 的直流电机都有很多相似之处：用装有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁 极，用具有多相绕组的定子取代电枢，由逆变器和转子位置检测器组成的电子换 向器取代机械换向器和电刷。这样就得到了无刷直流电机。无刷直流电机一般由 永磁电动机本体、逆交器和转子位置传感器组成。如图2 1 所示 2 2 1 电动机本体 电动机本体通常由永磁同步电动机构成。其分类较多：按电枢位置的不同可 分为内转子式( 常规式) 、外转子式；按供电电流波形的不同分为正弦波永磁同步 电机、矩形波永磁同步电机等等。对于正弦波b l d c m 希望在绕组中获得正弦波 形式的反电势，其绕组形式采用短距、分布或分数形式，以尽可能削弱其它次谐 波，从而保留基波。而方波b l d c m 为了获得顶宽为1 2 0 0 的方波或梯形波，定子 山东大学硕士学位论文 绕组采用整距、集中的形式，以保留气隙磁密中的其它谐波。 b l d c m 和p m s m 相比，具有瞻显的优势，反馈装置简单，功率密度更高， 输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和控制器的潜力得到充分的发挥。正 是由于这些原因，永磁无刷直流电机的应用和研究受到了更加广泛的重视。 2 2 2 转子位置传感器 在无刷直流电机中，位置传感器与电机转轴相联结，起着测定转子磁极位置 的作用，为电子换向线路提供正确的换向信息。目前，b l d c m 系统的位置传感 器多为电磁式、光电式和磁敏式。也有少数用正余弦旋转变压器和编码器等位置 传感器的，但这些元件成本较高、体积较大、配套线路复杂，在一般无刷直流电 机中较少采用。 电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置得，有开口变压器、铁磁 谐振电路、接近开关电路等多种类型。它具有输出信号大，工作可靠、寿命长、 对环境要求不高等优点，但这种传感器体积较大，信噪比较低，同时其输出波形 为交流，一般需要经整流、滤波方可使用。 光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转的遮光部分和 固定不动的光源等部件组成，有绝对式编码器和增量式编码器之分。它具有定位 精度高、价格便宜、易加工等特点，但对恶劣环境的适应能力较差，输出信号沿 需加以整形电路处理。 磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁 场变化而变化的原理制成。常见的类型有霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等。 一般说来，它对环境适应能力较强，输出信号沿好，成本低廉，但精度不高。 2 2 3 驱动控制电路 控制器的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻 辑代码输出，去触发末级功率开关管。它的输出频率不是独立调节的，而受控于 转子位置检测信号。b l d c m 由于采用了自控式逆变器，电机输入电流的频率和 电机转速始终保持同步，电机和逆变器输出之间不会产生振荡和失步。这也是 b l d c m 的重要优点之一。 2 3 无刷永磁直流电机的运行原理 2 3 1 主回路基本类型 山东大学硕士学位论文 无刷永磁直流电机三相绕组主回路基本类型有三相半控式和三相全控式两 种。三相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通 电l 3 的时间，另外2 3 时间处于断开状态。但是绕组没有得到充分的利用，同 时转矩波动较大综合分析后，三相全控式电路综合性能好，本系统采用这一控 制方式。 三相全控式电路按通电方式分又分做二二通电方式、三三通电方式两种。 2 3 2 无刷电机运行原理 以三相全控式电路、二二通电方式说明电机运行原理。系统原理如图2 2 所 示： + 亏岛 如 ， 同吊 坩 r 盱 型、邕 历周 必些 图2 2 三相全控桥两两通电电路 图2 3 相电流和相电势波形 为使电机获得最大转矩，取得理想的运行性能，电机绕组中的相电流和相电 势必须满足如图2 3 所示的关系，即电流为1 2 0 。宽度的方波，在持续1 2 0 。电角度 后，有6 0 0 的截止区，然后反方向通电1 2 0 0 方波电流，相电势应为平顶宽度超过 1 2 0 0 的梯形波，而且同一相的电流和电势应为同相位，只有这样才能保证电机具 有最大的平均电磁转矩，最小的纹波转矩，而纹波转矩是产生电机振动和噪音的 主要原因之一。 在该电路中电动机的绕组为y 联结。t 1 、t 2 t 5 为六个功率器件，起绕 组的开关作用。同时我们采用两两导通方式，所谓两两导通方式是指每一个瞬间 有两个功率管导通，每隔l 6 周期( 6 0 0 电角度) 换相一次，每次换相一个功率 管，每一功率管导通1 2 0 0 电角度。各功率管的导通顺序t 1 t 2 一t 2 t 3 一t 3 t 4 一 t 4 t 5 一t 5 t 6 一t 6 t l t l 亿当功率管t l t 2 导通时，电流从t 1 管流入a 相 绕组，再从c 相绕组流出，经t 2 管回到电源 山东大学硕士学位论文 图2 4 给出了两种开关状态及磁场旋转示意图。 图2 4 ( a ) 为t l 与t 6 导通时的情况，由于t l 与t 6 持续导通有一段时间， 流经a 、b 相绕组的电流也将持续一段时间，那么如图2 4 ( a ) 所示的电枢磁势 的方向和幅值也将有一段时间内保持不变。但是转子是连续旋转的，转子励磁磁 势扁也将随之连续旋转，它由起初是昂所在的位置逐渐转到尼所在的位置。 而当转子转到尼的位置时，由于t 6 已导通1 2 0 0 电角度，t 6 和t 2 在控制信号的 作用下要进行换流，由原来的t 6 与t 1 导通变换为t 1 与t 2 导通，见图2 4 ( b ) 所示。 ( 砷姊 图2 4 开关顺序及磁场旋转示意图 此时，电枢磁势从图2 4 ( a ) 的位置跳跃式地步进6 0 0 电角度，电枢磁势 ，l 和励磁磁势，o 之间的相位差又恢复到1 2 0 0 电角度，和图2 4 ( a ) 所示的 t l 管开始导通时的情况相同。如此重复进行，每当磁极转动，通过位置传感器、 控制电路、驱动电路使相应的功率管导通、切断，从而对电机电枢( 定子) 进行 一次绕组切换来改变电枢磁场，使稳定运转使6 0 0 。，o 和，a 的相位差p 始终在 6 0 。舻1 2 0 0 的范围内，其平均值相当于处在正交( 相差9 吩运行状态，这样在 同样的电枢电流下可使转矩最大。依靠这种旋转电枢磁场和励磁磁场的相互作用， 使得电机能够连续地顺时针旋转。 电机逆时针旋转时的分析与顺时针相同，只是逆时针旋转的开关管导通逻辑 序列与顺时针时相反。 2 3 。3 无刷电机调速方式 电机速度调节方式有脉冲幅值调制p a m ( p u l s ea i i l _ p l i m d em o d u l a t i o n ) 和脉 冲宽度调制p w m ( p u l s ew i d 廿lm o d u l a t i o n ) 两种。 山东大学硕士学位论文 在p a m 方式中，直流母线电压可调，逆变器功率开关器件只负责电机换相控 制，通过调节直流母线电压的大小调节电机转速。在p w m 方式中，直流母线电 压不可调，逆变器功率开关器件不但负责无刷直流电机的换相控制，而且通过斩 波调节电机输入电压的平均值，从而达到调节转速的目的。另外，逆变器也可采 用s p w m ( s i n l 啪i d a lp u l w i d t hm o d u l 撕o n ) 技术或滞相环控制技术等调制出正 弦电压并与电机反电动势保持适当的相位关系，产生有效电磁转矩，但转矩波动 往往较大，实际应用中采用这种调制方式的不多。 当直流母线电压只有十几伏或几十伏时，多用p a m 调节方式，如牙钻、空调 室内风机用无刷直流电机。当直流母线电压为上百伏时，多用p w m 调节方式， 即通过改变p w m 控制脉冲的占空比来调节输入电机的直流平均电压，如电动汽 车、洗衣机、空调室外压缩机等用的无刷直流电机。 本系统是通过调节逆变器功率器件的p w m 触发信号的占空比来改变输入电 机的平均电压而实现调速的。 2 4 本章小结 本章着重介绍了永磁无刷直流电动机的工作原理和基本构成。并在此基础上， 给出了实验样机的系统基本组成：逆变器采用三相全控式电路、二二通电方式； 用位置传感器控制功率元件的导通顺序；通过调节逆变器功率器件的p w m 触发 信号的占空比来调节电机的转速，达到风机调速节能的目的。 山东大学硕士学位论文 第三章风机用外转子永磁无刷直流电机的设计 永磁无刷直流电机与其他电动机设计一样，主要考虑性能、体积、重量、成 本。外转子风机具有足够的安装空间放置驱动电机，因此，风机用永磁无刷直流 电机的设计可以不考虑电机的重量、体积，而主要考虑其性能和成本，应保证电 机在满足一定性能的前提下尽可能降低成本。以下具体分析外转子风机用永磁无 刷直流电机的设计。 3 1 永磁材料的选择 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀 土永磁体又有第一代钐钻l ：5 ，第二代钐钴2 ：1 7 和第三代钕铁硼。铝镍钴是上 世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优 点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足 大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是上世纪五十年代初开发的永磁材料， 其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足之处是剩磁和磁能积都较低。 钐钻稀土永磁材料在上世纪六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应 强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。上世纪八十年代初钕铁硼稀 土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些 特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈 而需要涂覆处理。经过多年来的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁 硼永磁材料最高的工作温度已可达1 8 0 ，一般也可达1 5 0 ，已足以满足绝大多 数电机的使用要求。 对永磁无厣i j 直流电动机，如果电动机转子尺寸相同，那么连续转矩与气隙磁 密成正比。对于给定永磁体，气隙磁密按磁能积的平方根关系增加。因此对于相 同的转矩输出，无刷直流电动机的体积和重量以及制造成本基本上决定于永磁材 料的性能。目前普遍采用的永磁材料是钕铁硼和铁氧体，前者磁能积的平方根接 近后者的3 倍，因此针对相同的转矩输出，前者电机的体积和重量是后者的1 3 ； 但同时，钕铁硼磁体的价格也是铁氧体的驰l o 倍。永磁电机的整体成本主要决定 山东大学硕士学位论文 于磁体材料的价格，对风机用永磁无刷直流电机体积和重量不是主要矛盾的前提 下，铁氧体永磁是本永磁电机磁体材料的理想选择值得注意的是，对外转子永 磁无刷直流电机，通过增加磁体的供磁面积及磁体厚度，可以有效提高铁氧体磁 密值，因此铁氧体永磁电机的体积增加，更主要是转予外径的增加，定子外径增 加并不是很多，即铜铁材料的成本并不是增加很多。 3 2 绕组分布和极弧系数 永磁无刷直流电动机的基本特征是其相感应电势的波形为梯形波，而且波顶 宽度不小于1 2 0 0 因为只有在这一前提下，当定子输入1 2 0 。方波电流时才能产生 恒定电磁转矩。永磁无刷直流电机能否产生所要求的理想相电势波形，决定于永 磁体的气隙磁场和定子绕组的空间分布以及它们之间的匹配情况。一般来说，永 磁磁场的分布波形为梯形波，假定该梯形波磁场的平顶宽度为 ，( 弧度) ，相绕组 的线圈跨距为口( 弧度) ，则当满足下式时才能产生平顶宽度为1 2 0 。的相电势波形。 ，+ ，孥 如果每个相带有多个线圈组成，同时认为导体集中在槽内，则上式变为：