永磁无刷直流电机简介ppt课件.ppt

内转子 外定子外转子 内定子 无刷直流电动机基本结构 1 无刷直流电机的基本原理 一 直流电机 基本原理的公式体现 磁轭 Fe 定子铁心 Fe 磁极 励磁线圈 永磁体 电枢 定子铁心 导体 换向器 2 电机是 合二为一 各伺其职 3 旋转磁场的产生假定电机定子为3相6极 星型连接 转子为一对极 4 电流方向不同时 产生的磁场方向不同 若绕组的绕线方向一致 当电流从A相绕组流进 从B相绕组流出时 电流在两个绕组中产生的磁动势方向是不同的 5 6步通电顺序 三相绕组通电遵循如下规则 每步三个绕组中一个绕组流入电流 一个绕组流出电流 一个绕组不导通 通电顺序如下 1 A B 2 C B 3 C A 4 B A 5 B C 6 A C 6 6步通电顺序 1 A B 2 C B 3 C A 4 B A 5 B C 6 A C 每步磁场旋转60度 每6步旋转磁场旋转一周 每步仅一个绕组被换相 7 随着磁场的旋转 吸引转子磁极随之旋转 磁场顺时针旋转 电机顺时针旋转 1 2 3 4 5 6磁场逆时针旋转 电机顺时针旋转 6 5 4 3 2 11 A B 2 C B 3 C A 4 B A 5 B C 6 A C 8 2 如何实现换相 1 A B 2 C B 3 C A 4 B A 5 B C 6 A C 必须换相才能实现磁场的旋转 如果根据转子磁极的位置换相 并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互垂直的条件 就能取得最大转矩 要想根据转子磁极的位置换相 换相时就必须知道转子的位置 但并不需要连续的位置信息 只要知道换相点的位置即可 在无刷直流电机中 一般采用3个开关型霍尔传感器测量转子的位置 由其输出的3位二进制编码去控制逆变器中6个功率管的导通实现换相 9 开关型霍尔传感器 霍尔传感器和定子绕组是固定不转的 转子是永久磁铁 磁铁经过转子霍尔传感器后 霍尔器件产生一个脉冲 10 当将一块通电的半导体薄片垂直置于磁场中时 薄片两侧由此会产生电位差 此现象称为霍尔效应 霍尔集成电路具有无触点 无磨损 无火花 低功耗 寿命长 灵敏度高 工作频率高的特点 霍尔集成电路是霍尔元件与电子线路一体化的产品 它是由霍尔元件 放大器 温度补偿电路和稳压电路利用集成电路工艺技术制成的 它能感知一切与磁有关的物理量 又能输出相关的电控信息 所以霍尔集成电路既是一种集成电路 又是一种磁敏传感器 霍尔工作原理 11 如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置 当N极逐渐靠近霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时 其输出是导通状态 当N极逐渐离开霍尔传感器 磁感应强度逐渐减小时 其输出仍然保持导通状态 只有磁场转变为S极并达到一定值时 其输出才翻转为截止状态 在S N交替变化磁场下 传感器输出波形占高 低电平各占50 如果转子是一对极 则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的电压波形 如果转子是两对极 则输出两个周期的电压波形 12 直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器 间隔120度或60度按圆周分布 如果间隔120度 则3个霍尔传感器的输出波形相差120度电角度 输出信号为高 低电平各占180度电角度 如果规定输出信号高电平为 1 低电平为 0 则输出的三个信号可用3位二进制编码表示 13 100000001011111110100000001011111110 如果间隔60度 则输出波形相差60度电角度 间隔120度与60度的二进制编码是不同的 14 三相永磁无刷直流电动机转子位置传感器输出信号Ha Hb Hc在每360 电角度内给出了6个代码 按其顺序排列 6个代码是101 100 110 010 011 001 当然 这一顺序与电动机的转动方向有关 如果转向反了 代码出现的顺序也将倒过来图5是三相永磁无刷直流电动机的电子换向器主回路 也就是由6只功率开关元件组成的三相H形桥式逆变电路 三相直流无刷电动机的换相原理 15 一 电枢绕组的反电势单根电枢绕组在气隙磁场中的感应电势式中 B 气隙磁感应强度 l 导体的有效长度 v 转子相对于定子导体的线速度 对于线速度v有 式中 n 电动机转速 单位为r min D 电枢内径 p 极对数 极距 16 如果定子每相绕组串联的匝数是N 则每相绕组的反电势为 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 其中 是计算极弧系数 因而有 考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电 所以 线电势E为两相电势之和 计算极弧系数的定义为 一个极距内的气隙磁密平均值和气隙磁密最大值的比值 磁通 通过某一截面积的磁力线总数 用 表示 单位为韦 伯 Wb 磁感应强度是与磁力线方向垂直的单位面积上所通过的磁力线数目 又叫磁力线密度 也叫磁通密度 用B表示 单位为特 斯拉 T 17 方波电动机的电磁转矩Te是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用而产生的 可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩 式中 角速度 I 电枢电流E 两相电动势之和 二 电磁转矩 对于转矩则有 5 3 从式 5 2 和式 5 3 可以看出 三相永磁方波电动机与永磁直流电动机有完全相同的反电势公式和转矩公式 18 直流电机的基本方程式 2 电磁转矩T 一对磁极的磁通 Wb n电枢转速 r min Ce电势常数 式中 1 感应电势E 式中 T电磁转矩 Nm Ia电枢电流 A Ct转矩常数 19 直流电动机的机械特性 原理电路图 直流电动机电枢电压平衡方程式 20 直流电动机的自然机械特性在额定电压 额定磁通 电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为自然机械特性 永磁无刷直流电动机的机械特性曲线对比 21 改变电枢电压的人工机械特性 n0随U的变化而变化但转速下降速率不变 因此 变电枢电压的人工机械特性是一簇与自然机械特性平行的特性曲线 22 改变磁通的人工机械特性 从机械特性方程可知 改变磁通时 电动机的理想空载转速和转速降落都会随磁通的变化而变化 磁通只能在额定值以下调节 理想空载转速和转速降落都要增大 弱磁增速 23 电机的绕组 永磁无刷直流电机分数槽集中绕组 采用分数槽技术的优点 1 平均每对极下的槽数大为减少 以较少数目的大槽代替数目较多的小槽 可减少槽绝缘占据的空间 有利于提高槽满率 进而提高电动机性能 同时 较少数目的元件数 可简化嵌线工艺和接线 有助于降低成本 2 可改善反电势波形的正弦性 3 分数槽绕组电机有可能得到线圈节距y 1的设计 集中绕组 每个线圈只绕在一个齿上 缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度 减低用铜量 各个线圈端部没有重叠 不必设相间绝缘 所以有文献称这种绕组为非重叠绕组 4 分数槽集中绕组便于使用专用绕线机 直接将线圈绕在齿上 取代传统嵌线工艺 提高工效 5 提高电动机性能 槽满率的提高 线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短 使电动机绕组电阻减小 铜损随之也减低 进而提高电动机效率和降低温升 6 分数槽的齿槽效应转矩由于每转次数较多 幅值通常比整数槽绕组小 定子铁心无须斜槽 有利于降低振动和噪声 分数槽绕组的定义 每极每相槽数q Z 2mp不为整数的绕组称为分数槽绕组 24 单元电机Z0和p0组合选择的约束条件 分数槽电机的Z0和p0组合不是可以任意选择的 1 为了使各相绕组对称 必须每相均分到相同的槽数 即必须Z0 m 整数 对于三相电机 m 3 Z0必须为3的倍数 2 由于Z0 p0为不可约分数 因此 p0 m 整数 即p0不允许是m的倍数 对于三相电动机 m 3 p0不允许选择为3的倍数 3 如果Z0为偶数 因Z0 p0为不可约分数 p0必为奇数 4 如果Z0为奇数 p0可能是奇数 也可能是偶数 25 通过磁势相量星形图对电机绕组及霍尔位置的分析 以12齿5极对电机举例说明 26 27 这种结构中 永磁体通常呈瓦片形 并位于转子铁心的表面上 永磁体的充磁方向为径向 表贴式转子磁路结构又可分为凸出式和插入式两种 转子磁路结构不同 则电机的运行性能 控制系统 制造工艺和适用场合也不同 根据永磁体在转子上的位置不同 永磁同步电机的转子磁路结构通常分为两种 表贴式和内置式 表贴式 电气学院 28 表贴凸出式和插入式转子磁路结构图 电气学院 29 其结构简单 制造成本较低 转动惯量较小 多用于矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的永磁同步电动机中 1 表贴凸出式转子磁路结构 2 表贴插入式转子磁路结构 这种结构可充分利用转子结构磁路的不对称性所产生的磁阻转矩 提高电机的功率密度 制造工艺也较简单 通常用于某些调速永磁同步电动机中 电气学院 30 这类结构的永磁体放置在转子铁心内部 永磁体外表面与转子铁心外圆之间有铁磁物质制成的极靴 极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼 起阻尼或 和 启动作用 动 稳态性能好 广泛用于要求有异步启动能力或动态性能高的永磁同步电动机 内置式转子磁路结构又可分为 径向式 切向式 混合式 内置式 电气学院 31 1 内置径向式 电气学院 32 永磁体材料的选择 永磁体及其性能多种多样 如何选择合适的永磁材料直接关系到电机的性能和经济性 永磁体的选择应满足以下要求 永磁体应能在指定的工作空间内产生所需要的磁场永磁体所建立的磁场应具有一定的稳定性 磁性能随工作温度和环境的变化应在允许范围内具有良好的耐腐性性能具有较好的力学特性 韧性好 抗压强度高 可加工等价格合理 经济性好 电气学院 33 铁氧体 适合于对电机体积 重量和性能要求不高 而对电机的经济性要求高的场合 铝镍钴 适合于对电机体积 重量和性能要求不高 但工作温度超过300度或要求温度稳定性好且电机的成本不高的场合 钕铁硼 适合于对电机体积 重量和性能要求很高 工作环境温度不高 对永磁体温度稳定性要求不高的场合 稀土钴 适合于对电机体积 重量和性能要求很高 工作环境温度高 要求温度稳定性好 制造成本不是主要考虑因素的场合 粘结永磁材料 适合批量大 磁极形状复杂 电机性能要求不高的场合 电气学院 34 转子设计 35 转子设计 36 损耗与效率 概述 电机损耗可分为下列5类 1 定 转子铁心中的基本铁耗 它是由主磁场在铁心中发生变化时产生的 2 空载时铁心中的附加 或杂散 损耗 它是由定转子开槽引起的气隙磁导变化而产生的谐波磁场在对方表面产生的表面损耗及脉振损耗 3 电气损耗 是由工作电流在绕组