第06章-无刷直流电动机

1、-1-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机控制电机控制电机-2- 直流电动机由于调速性能好、堵转转矩大等优点而直流电动机由于调速性能好、堵转转矩大等优点而在各种运动控制系统中等到广泛应用，但是直流电动机在各种运动控制系统中等到广泛应用，但是直流电动机具有电刷和换向器装置，运行时所形成的具有电刷和换向器装置，运行时所形成的机械摩擦机械摩擦严重严重影响了电机的精度和可靠性，因摩擦而产生的火花还会影响了电机的精度和可靠性，因摩擦而产生的火花还会引起无线电干扰。电刷和换向器装置使直流电动机结构引起无线电干扰。电刷和换向器装置使直流电动机结构复杂、噪音大，维护也比较困难。所以，长期以来人们复杂、噪

2、音大，维护也比较困难。所以，长期以来人们在不断寻求在不断寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-3- 随着电子技术、随着电子技术、 计算机技术和永磁材料的迅速发计算机技术和永磁材料的迅速发展，诞生了无刷直流电动机。这种电动机是典型的展，诞生了无刷直流电动机。这种电动机是典型的机电机电一体化产品一体化产品，它利用电子开关线路和位置传感器来代替，它利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，电刷和换向器，既具有直流电动机的运行特性，又具有既具有直流电动机的运行特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等

3、优点。交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。另另外，它的转速不再受机械换向的限制，可以制成转速高外，它的转速不再受机械换向的限制，可以制成转速高达每分钟几十万转的高速电动机。达每分钟几十万转的高速电动机。 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-4-第一节第一节 无刷直流电动机的组成及原理无刷直流电动机的组成及原理一、基本组成一、基本组成第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-5-1.1.电动机本体电动机本体第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-6-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-7- 定定子子 永永磁磁转转子子 传传感感器器定定子子 传传感感器器转转子子 (

4、a) 结构示意图结构示意图 (b) 定转子实际结构定转子实际结构 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-8-实际电机实际电机 外外转转子子 绕绕组组 永永磁磁体体 内内定定子子 结构示意图结构示意图 -9-2. 2. 电子开关线路电子开关线路第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-10-3. 3. 转子位置传感器转子位置传感器 位置传感器也是无刷直流电动机的重要组成部分，位置传感器也是无刷直流电动机的重要组成部分，其作用是检测转子磁场相对于定子各相绕组的位置，以其作用是检测转子磁场相对于定子各相绕组的位置，以确定各相绕组导通和关断的顺序。它有多种结构形式，确定各相绕组导通和关断的顺序

5、。它有多种结构形式，常见的有常见的有电磁式电磁式、光电式光电式和和霍尔元件式霍尔元件式。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-11- 电磁式位置传感器 (a) 结构原理图； (b) 剖面图 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-12- 光电式位置传感器 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-13-四相霍尔无刷直流电动机原理图 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-14-二、工作原理二、工作原理 与普通结构的永磁直流电动机不同，在无刷直流电与普通结构的永磁直流电动机不同，在无刷直流电动机中，动机中，电枢绕组放置在定子上，永磁体则放置在转子电枢绕组放置在定子上，永磁体则放置

6、在转子上上。定子各相电枢绕组相对于转子永磁体的位置，由转。定子各相电枢绕组相对于转子永磁体的位置，由转子位置传感器通过电子方式或电磁方式所感知，并利用子位置传感器通过电子方式或电磁方式所感知，并利用其输出信号，通过电子开关线路，按照一定的逻辑程序其输出信号，通过电子开关线路，按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连接的电力电子开关器件，把电流去驱动与电枢绕组相连接的电力电子开关器件，把电流导通到相应的电枢绕组。导通到相应的电枢绕组。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-15- 随着转子的连续旋转，位置传感器不断地发送转子随着转子的连续旋转，位置传感器不断地发送转子位置信号，使电枢绕组不断地

7、依次通电，不断地改变通位置信号，使电枢绕组不断地依次通电，不断地改变通电状态，从而使得转子各磁极下电枢导体中流过电流的电状态，从而使得转子各磁极下电枢导体中流过电流的方向始终不变。方向始终不变。 这就是无刷直流电动机电子换向的实这就是无刷直流电动机电子换向的实质。质。 下面就以下面就以两相导通三相星形六状态两相导通三相星形六状态的无刷直流电动的无刷直流电动机为例（图机为例（图6-5），进一步说明无刷直流电动机的工作原），进一步说明无刷直流电动机的工作原理。理。 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-16-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-17-两相导通星形三相六状态时绕组和开关

8、管导通顺序表两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-18- 综合以上分析可以看出，无刷直流电动机通过检测综合以上分析可以看出，无刷直流电动机通过检测转子磁极的若干位置，来决定定子侧逆变电路开关器件转子磁极的若干位置，来决定定子侧逆变电路开关器件的通断时刻，从而保证定子合成磁动势在平均意义上与的通断时刻，从而保证定子合成磁动势在平均意义上与转子永磁体磁动势同步，转子永磁体磁动势同步，这也是无刷直流电动机有这也是无刷直流电动机有“同同步电动机步电动机”之称的一个重要原因之称的一个重要原因。显然，无刷直流电动。显然，无刷直流电动机定子合成磁动势所产生

9、的是一种机定子合成磁动势所产生的是一种跳跃式的旋转磁场跳跃式的旋转磁场，因此因此相应的电磁转矩必然存在一定的脉动相应的电磁转矩必然存在一定的脉动。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-19-第二节第二节 无刷直流电动机的电枢反应无刷直流电动机的电枢反应 电动机负载时电枢绕组电流所产生的磁场对主磁场电动机负载时电枢绕组电流所产生的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。的影响称为电枢反应。无刷直流电动机的电枢反应与无刷直流电动机的电枢反应与电枢绕组的连接方式、逆变电路的通电方式、电动机电枢绕组的连接方式、逆变电路的通电方式、电动机的转向、状态角的大小以及电机磁路的饱和程度都有的转向、状态角的大小以

10、及电机磁路的饱和程度都有关系。关系。 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-20- A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/21/2磁状态时既不磁状态时既不去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁达到最大值。增磁和去磁磁动

11、势的大小等于电枢合成磁动势动势F Fa a在转子磁极轴线上的投影，其最大值为在转子磁极轴线上的投影，其最大值为第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-21-admsin2 sin2sin222mmmaawFFFIWK式中F 每相绕组的磁动势；W每相绕组的串联匝数； Kw绕组系数。 磁状态角 m / 3第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-22- 无刷直流电动机的状态角一般较大无刷直流电动机的状态角一般较大，直轴电枢反应，直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值，磁动势可以达到相当大的数值，若永磁材料磁性能不佳若永磁材料磁性能不佳或设计不合理，极有可能造成永磁体永久失磁。或设计不合理，极

12、有可能造成永磁体永久失磁。 与普通直流电动机一样，与普通直流电动机一样，交轴电枢磁动势对主磁场交轴电枢磁动势对主磁场的影响是使气隙磁场波形发生畸变的影响是使气隙磁场波形发生畸变。对于。对于径向充磁的表径向充磁的表面式转子结构面式转子结构 图图6-8(a)6-8(a)，由于交轴方向上永磁体本身，由于交轴方向上永磁体本身的磁阻很大，故交轴电枢磁动势所引起的气隙磁场畸变的磁阻很大，故交轴电枢磁动势所引起的气隙磁场畸变较小，通常可以不予考虑。较小，通常可以不予考虑。 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-23-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-24- 对于对于切向充磁的内嵌式转子结构切

13、向充磁的内嵌式转子结构 图图6-8(b)6-8(b)，由于，由于交轴方向上极靴铁心的磁阻很小，故交轴电枢磁动势可交轴方向上极靴铁心的磁阻很小，故交轴电枢磁动势可导致气隙磁场发生较大畸变，使主磁极一端磁通加强，导致气隙磁场发生较大畸变，使主磁极一端磁通加强，另一端磁通削弱。如果磁路不饱和，则加强部分和削弱另一端磁通削弱。如果磁路不饱和，则加强部分和削弱部分相等；反之，则产生一定的饱和去磁作用。部分相等；反之，则产生一定的饱和去磁作用。畸变的畸变的气隙磁场也会引起电磁转矩的脉动，不利于电动机的正气隙磁场也会引起电磁转矩的脉动，不利于电动机的正常运行。常运行。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动

14、机-25-第三节第三节 无刷直流电动机的运行特性无刷直流电动机的运行特性一、等效电路一、等效电路 为简单起见，以表面式永磁体转子结构的为简单起见，以表面式永磁体转子结构的两相导通两相导通三相星形六状态三相星形六状态的无刷直流电动机为例进行分析，并作的无刷直流电动机为例进行分析，并作如下假定：如下假定： (1) (1) 气隙磁密在空间呈梯形波（或近似方波）分布。气隙磁密在空间呈梯形波（或近似方波）分布。 (2) (2) 三相绕组对称，其对应的电路单元也完全一致。三相绕组对称，其对应的电路单元也完全一致。 (3) (3) 忽略电枢齿槽效应、电枢反应和换向过程等的忽略电枢齿槽效应、电枢反应和换向过程

15、等的影响。影响。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-26-定子三相绕组的电压平衡方程为定子三相绕组的电压平衡方程为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机（6-2）cbacbacbacbap000000eeeiiiLMMMLMMMLiiiRRRuuu当三相绕组为当三相绕组为Y Y联接且没有中线时联接且没有中线时0cbaiii（6-3）acbMiMiMi（6-4）-27-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机cbacbacbacbap000000000000eeeiiiMLMLMLiiiRRRuuu（6-5）-28-二、基本公式二、基本公式1. 1. 感应电动势感应电动势第六章第

16、六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-29-单根导体在气隙磁场中的感应电动势为单根导体在气隙磁场中的感应电动势为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机（6-6）vlBea电枢导体的有效长度电枢导体的有效长度 导体的线速度导体的线速度 26060Dnp nv设电枢绕组每相串联匝数为设电枢绕组每相串联匝数为N N，每相绕组的感应电动势，每相绕组的感应电动势eNE2（6-7）-30-梯形波气隙磁密的每极磁通为梯形波气隙磁密的每极磁通为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机ailB（6-8）比较式（比较式（6-66-6）与式（）与式（6-86-8），可得），可得 计算极弧系数计算极弧系数 n

17、pei602（6-9）-31-把上式代入式（把上式代入式（6-76-7），可得），可得 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机（6-10） 从直流端看，任何时刻两相导通三相星形无刷直流从直流端看，任何时刻两相导通三相星形无刷直流电动机的感应电动势都是两相绕组感应电动势的串联，电动机的感应电动势都是两相绕组感应电动势的串联，所以有所以有 npNEi15ei2215pNEEnCn（6-11）ei215pNC-32-2. 2. 电枢电流电枢电流 不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感，无刷直流电动机的电压平衡方程式可以简化为的电感，无刷直流

18、电动机的电压平衡方程式可以简化为（6-12）第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机aad22RIEUU开关器件的管压降开关器件的管压降 daa22UUEIR（6-13）-33-3. 3. 电磁转矩电磁转矩 无刷直流电动机的电磁功率为无刷直流电动机的电磁功率为第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机aem2EIP（6-14） 根据电动机电磁功率与电磁转矩的基本关系，无刷根据电动机电磁功率与电磁转矩的基本关系，无刷直流电动机的电磁转矩为直流电动机的电磁转矩为 emaeaTai24PEIpNTICI（6-15）iT4pNC 602 n-34-4. 4. 电机转速电机转速 由式（由式（6-116

19、-11）、式（）、式（6-126-12），可得无刷直流电动机），可得无刷直流电动机的转速为的转速为 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机（6-16）在理想空载情况下，电机转速为在理想空载情况下，电机转速为 ed22CRIUUnaaddi0ei227.5215UUUUUnpNCpN（6-17）-35- 由以上推导过程可以看出，无刷直流电动机的基本由以上推导过程可以看出，无刷直流电动机的基本公式与普通直流电动机是相似的，因此公式与普通直流电动机是相似的，因此可以预计无刷直可以预计无刷直流电动机具有和普通直流电动机一样优良的运行特性。流电动机具有和普通直流电动机一样优良的运行特性。三、运行特性

20、三、运行特性1. 1. 机械特性机械特性 由式（由式（6-166-16）和式（）和式（6-156-15）可以得到无刷直流电动）可以得到无刷直流电动机的机械特性方程机的机械特性方程 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机ddedeee2eT222(2)2aaaUUI RUUnTURC CUTCC（6-18）斜率斜率 -36- 相应的特性曲线如图相应的特性曲线如图6-116-11所示。可见，无刷直流电所示。可见，无刷直流电动机的机械特性为一直线，随着直流电源电压的增加，动机的机械特性为一直线，随着直流电源电压的增加，机械特性向上平移，而机械特性向上平移，而直线斜率直线斜率保持不变。保持不变。

21、第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机开关器件的管压开关器件的管压降增大，使实际降增大，使实际加在电枢绕组上加在电枢绕组上的电压减小。的电压减小。 -37-2. 2. 调节特性调节特性 根据式（根据式（6-186-18），并利用），并利用T Te e= =T TL L的关系，可以得到无的关系，可以得到无刷直流电动机的调节特性方程刷直流电动机的调节特性方程第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机dL(2)nUUT（6-19）始动电压始动电压U0 -38- 相应的调节特性曲线如图相应的调节特性曲线如图6-126-12所示。可见，无刷直所示。可见，无刷直流电动机的调节特性也为一直线，随着负载转

22、矩的增加，流电动机的调节特性也为一直线，随着负载转矩的增加，机械特性向右平移，而机械特性向右平移，而直线斜率直线斜率 保持不变。保持不变。 从以上分析可以看出，从以上分析可以看出，无刷直流电动机的两个主要无刷直流电动机的两个主要运行特性运行特性机械特性和调节特性都是线性的，可以通机械特性和调节特性都是线性的，可以通过调节直流电源电压实现无级调速，调速控制性能优异。过调节直流电源电压实现无级调速，调速控制性能优异。 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-39-第四节第四节 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动* * 无刷直流电动机输出转矩大，动态响应迅速，调速无刷直流电动机输出

23、转矩大，动态响应迅速，调速控制方便，可靠性高，因此它的应用越来越广泛。控制方便，可靠性高，因此它的应用越来越广泛。 但但是，无刷直流电动机是，无刷直流电动机固有的转矩脉动问题固有的转矩脉动问题却一直限制着却一直限制着其在高精度系统中的应用。对于高精度系统，转矩脉动其在高精度系统中的应用。对于高精度系统，转矩脉动是衡量无刷直流电动机性能的一项重要指标。因此，分是衡量无刷直流电动机性能的一项重要指标。因此，分析转矩脉动形成的原因，研究消除或抑制转矩脉动的方析转矩脉动形成的原因，研究消除或抑制转矩脉动的方法具有十分重要的意义。法具有十分重要的意义。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-40-

24、造成无刷直流电动机转矩脉动的原因很多，主要可造成无刷直流电动机转矩脉动的原因很多，主要可以分为以下五个方面：以分为以下五个方面：1. 1. 电磁因素引起的转矩脉动电磁因素引起的转矩脉动 这是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转这是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动，它与电流波形、感应电动势波形、气隙磁通密矩脉动，它与电流波形、感应电动势波形、气隙磁通密度的分布有着直接关系。度的分布有着直接关系。 （1 1）优化设计法）优化设计法 （2 2）最佳开通角法）最佳开通角法 （3 3）谐波消去法）谐波消去法 （4 4）转矩反馈）转矩反馈法法第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-4

25、1-2. 2. 电流换向引起的转矩脉动电流换向引起的转矩脉动 无刷直流电动机工作时，定子绕组按一定顺序换流。无刷直流电动机工作时，定子绕组按一定顺序换流。由于各相绕组存在电感，阻碍电流的瞬时变化，每经过由于各相绕组存在电感，阻碍电流的瞬时变化，每经过一个磁状态，电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相一个磁状态，电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相时将引起电磁转矩的脉动。时将引起电磁转矩的脉动。 （1 1）电流反馈法）电流反馈法 （2 2）滞环电流法）滞环电流法 （3 3）重叠换向法）重叠换向法 （4 4）PWMPWM斩波法斩波法第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-42-3. 3. 齿槽效

26、应引起的转矩脉动齿槽效应引起的转矩脉动 无刷直流电动机定子铁心为了安放定子绕组必然要无刷直流电动机定子铁心为了安放定子绕组必然要有齿和槽，由于定子齿槽的存在，引起气隙不均匀，一有齿和槽，由于定子齿槽的存在，引起气隙不均匀，一个齿距内的磁通相对集中于齿部，使气隙磁导不是常数。个齿距内的磁通相对集中于齿部，使气隙磁导不是常数。当转子旋转时，气隙磁场就要发生变化，产生齿槽力矩。当转子旋转时，气隙磁场就要发生变化，产生齿槽力矩。齿槽力矩与转子位置有关，因而引起转矩脉动。齿槽力齿槽力矩与转子位置有关，因而引起转矩脉动。齿槽力矩是永磁电机的固有特性，在电机低速轻载运行时，齿矩是永磁电机的固有特性，在电机低

27、速轻载运行时，齿槽力矩将引起明显的转速波动，进而产生振动和噪声。槽力矩将引起明显的转速波动，进而产生振动和噪声。因此，如何削弱齿槽力矩是永磁电机设计中较为重要的因此，如何削弱齿槽力矩是永磁电机设计中较为重要的目标之一。目标之一。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-43-4. 4. 电枢反应引起的转矩脉动电枢反应引起的转矩脉动 无刷直流电动机的电枢反应比较复杂，根据电枢反无刷直流电动机的电枢反应比较复杂，根据电枢反应的性质，电枢反应磁动势可分解为交轴分量和直轴分应的性质，电枢反应磁动势可分解为交轴分量和直轴分量。量。 交轴电枢反应磁动势交轴电枢反应磁动势 会使气隙主磁场波形发生畸会使气隙

28、主磁场波形发生畸变，使气隙主磁场的磁感应强度不再是空载时的方波，变，使气隙主磁场的磁感应强度不再是空载时的方波，感应电动势也随之畸变，从而导致感应电动势与电枢电感应电动势也随之畸变，从而导致感应电动势与电枢电流的不匹配，进而引起转矩脉动。流的不匹配，进而引起转矩脉动。 直轴电枢反应磁动势直轴电枢反应磁动势在转子旋转过程中对主磁场先在转子旋转过程中对主磁场先去磁、后增磁，使负载每极总磁通在空载每极总磁通的去磁、后增磁，使负载每极总磁通在空载每极总磁通的附近变化。这样，感应电动势和电磁转矩也要发生变化，附近变化。这样，感应电动势和电磁转矩也要发生变化，但影响不大。但影响不大。 第六章第六章 无刷直

29、流电动机无刷直流电动机-44-5. 5. 机械加工引起的转矩脉动机械加工引起的转矩脉动 机械加工和材料的不一致也是引起无刷直流电动机机械加工和材料的不一致也是引起无刷直流电动机转矩脉动的重要原因之一。如电机机械加工及装配时产转矩脉动的重要原因之一。如电机机械加工及装配时产生的尺寸和形位偏差，定子冲片各槽分布不均匀，定子生的尺寸和形位偏差，定子冲片各槽分布不均匀，定子内外圆偏心，定、转子同轴度偏差等产生的单边磁拉力，内外圆偏心，定、转子同轴度偏差等产生的单边磁拉力，轴承系统的摩擦转矩不均匀，转子位置传感器定位不准轴承系统的摩擦转矩不均匀，转子位置传感器定位不准导致的转矩脉动，各相绕组参数不对称及

30、电子元器件性导致的转矩脉动，各相绕组参数不对称及电子元器件性能参数的差异而导致的转矩脉动，磁路中各零件材料特能参数的差异而导致的转矩脉动，磁路中各零件材料特别是永磁体性能不一致而产生的转矩脉动等等。因此，别是永磁体性能不一致而产生的转矩脉动等等。因此，提高工艺加工水平也是减少转矩脉动的重要措施。提高工艺加工水平也是减少转矩脉动的重要措施。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-45-第五节第五节 无刷直流电动机的选用无刷直流电动机的选用一、无刷直流电动机的主要技术数据一、无刷直流电动机的主要技术数据 (1) (1) 电动机常数电动机常数K KM M。 是电动机的一个品质指标，单是电动机的一

31、个品质指标，单位为位为N Nm/Wm/W1/21/2。对于一个给定体积的电动机而言，。对于一个给定体积的电动机而言，K KM M值越值越高，电动机的功率就越大。高，电动机的功率就越大。 (2) (2) 电动势常数电动势常数K Ke e。 指在单位转速下电枢绕组所感指在单位转速下电枢绕组所感应产生的电压，应产生的电压，K Ke e= =C Ce e。 (3) (3) 力矩常数力矩常数K KT T。 指在单位电枢电流下所产生的电指在单位电枢电流下所产生的电磁转矩，又称为力矩灵敏度，磁转矩，又称为力矩灵敏度，K KT T= =C CT T。 (4) (4) 电气时间常数电气时间常数e e。指当给电枢

32、绕组施加单位阶指当给电枢绕组施加单位阶跃输入电压后，电枢电流达到跃输入电压后，电枢电流达到63%63%稳态值所需的时间。稳态值所需的时间。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-46- (5) (5) 峰值力矩峰值力矩T Tp p。 指在冷态（指在冷态（2020C C）条件下，在）条件下，在10s10s之内电枢绕组的温度不超过最大允许值的情况下，之内电枢绕组的温度不超过最大允许值的情况下，电动机所能安全产生的力矩。当然，产生峰值力矩时也电动机所能安全产生的力矩。当然，产生峰值力矩时也不应超出永磁体所允许的最大去磁磁动势。不应超出永磁体所允许的最大去磁磁动势。 (6) (6) 连续堵转力矩连

33、续堵转力矩T TCSCS。 指在转子被堵转和无限长指在转子被堵转和无限长的时间周期内电枢绕组的温度不超过最大允许值的条件的时间周期内电枢绕组的温度不超过最大允许值的条件下，电动机所能安全产生的力矩。连续堵转力矩是在规下，电动机所能安全产生的力矩。连续堵转力矩是在规定的安装条件下，如安装在什么形状、什么尺寸和由什定的安装条件下，如安装在什么形状、什么尺寸和由什么材料制成的散热板上测量得到的数值。么材料制成的散热板上测量得到的数值。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-47-二、无刷直流电动机与永磁同步电动机的比较二、无刷直流电动机与永磁同步电动机的比较 无刷直流电动机将电子线路与电机融为一

34、体，把先无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术、微机控制技术应用于电机领域，是典型进的电子技术、微机控制技术应用于电机领域，是典型的机电一体化产品，促进了电机及控制技术的发展。无的机电一体化产品，促进了电机及控制技术的发展。无刷直流电动机属于刷直流电动机属于永磁式电动机永磁式电动机。目前，在自动控制系。目前，在自动控制系统中普遍使用的永磁电动机有两大类，即统中普遍使用的永磁电动机有两大类，即无刷直流电动无刷直流电动机机BDCMBDCM（Brushless DC MotorBrushless DC Motor）和和永磁同步电动机永磁同步电动机PMSMPMSM（Permanent

35、 Magnet Synchronous MotorPermanent Magnet Synchronous Motor）。这里将两。这里将两者的主要区别做个比较，以备选用电机之参考。者的主要区别做个比较，以备选用电机之参考。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-48-1. 1. 设计理念设计理念 设计无刷直流电动机的出发点是用装有永磁体的转设计无刷直流电动机的出发点是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的转子电枢变为定子转子电枢变为定子，如图，如图6-136-13所示。有刷直流电动机是所示。有刷直流电动机是依靠机械

36、换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流，依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流，而而BDCMBDCM是将方波电流（实际上也是梯形波）直接输入定是将方波电流（实际上也是梯形波）直接输入定子，其好处就是省去了机械换向器和电刷，也称为电子子，其好处就是省去了机械换向器和电刷，也称为电子换向。为产生恒定电磁转矩，要求系统向换向。为产生恒定电磁转矩，要求系统向BDCMBDCM输入三相输入三相对称方波电流，同时要求对称方波电流，同时要求BDCMBDCM的每相感应电动势为梯形的每相感应电动势为梯形波，因此也称波，因此也称BDCMBDCM为为方波电动机方波电动机。 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流

37、电动机-49-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-50- 而设计永磁同步电动机的出发点是直接用永磁体取而设计永磁同步电动机的出发点是直接用永磁体取代电励磁同步电动机转子上的励磁绕组，以省去励磁线代电励磁同步电动机转子上的励磁绕组，以省去励磁线圈、滑环和电刷，圈、滑环和电刷，如图如图6-146-14所示。所示。PMSMPMSM的定子与电励磁的定子与电励磁同步电动机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相同步电动机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的。为产生恒定电磁转矩，要求系统向正弦的。为产生恒定电磁转矩，要求系统向PMSMPMSM输入三输入三相对称正弦电流，同时要求相对称正弦电流

38、，同时要求PMSMPMSM的每相感应电动势为正的每相感应电动势为正弦波，因此也称弦波，因此也称PMSMPMSM为为正弦波电动机正弦波电动机。 第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-51-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-52-2. 2. 结构型式结构型式 由于气隙磁密等的波形不同（图由于气隙磁密等的波形不同（图6-156-15），两者定、），两者定、转子的结构均有所差别。转子的结构均有所差别。无刷直流电动机无刷直流电动机的定子通常采的定子通常采用整距集中绕组，转子永磁体则采用表面瓦片式结构，用整距集中绕组，转子永磁体则采用表面瓦片式结构，永磁体厚度均匀；而永磁体厚度均匀；而永磁

39、同步电动机永磁同步电动机的定子采用短距分的定子采用短距分布绕组，转子永磁体主要有两类：一类是表面永磁体结布绕组，转子永磁体主要有两类：一类是表面永磁体结构，另一类是内置永磁体结构。这两种结构均可确保气构，另一类是内置永磁体结构。这两种结构均可确保气隙磁密的波形接近正弦。隙磁密的波形接近正弦。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-53-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-54-第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-55-3. 3. 控制方式控制方式 当由变频电源供电时，当由变频电源供电时，永磁同步电动机永磁同步电动机可在开环控可在开环控制下调速运行，起动时转子上无需另装起动绕

40、组。若转制下调速运行，起动时转子上无需另装起动绕组。若转轴上装有位置传感器，则可构成基于位置反馈、闭环控轴上装有位置传感器，则可构成基于位置反馈、闭环控制的自控式永磁同步电动机；制的自控式永磁同步电动机；无刷直流电动机无刷直流电动机的转轴上的转轴上一般装有位置传感器，并做成自控式。一般装有位置传感器，并做成自控式。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-56-4. 4. 电磁转矩电磁转矩 永磁同步电动机永磁同步电动机利用旋转变压器或旋转编码器连续利用旋转变压器或旋转编码器连续检测转子位置，并根据转子的转速随时调整定子侧逆变检测转子位置，并根据转子的转速随时调整定子侧逆变器的控制频率，以确保

41、定子旋转磁动势与转子永磁体磁器的控制频率，以确保定子旋转磁动势与转子永磁体磁动势同步，因此所产生的电磁转矩基本上是恒定的；而动势同步，因此所产生的电磁转矩基本上是恒定的；而无刷直流电动机无刷直流电动机则仅需检测转子的若干位置即可，根据则仅需检测转子的若干位置即可，根据这些位置便可决定定子侧逆变器开关器件的通断时刻，这些位置便可决定定子侧逆变器开关器件的通断时刻，从而保证定子旋转磁动势在平均意义上与转子永磁体磁从而保证定子旋转磁动势在平均意义上与转子永磁体磁动势同步，因此所产生的电磁转矩存在一定的脉动。动势同步，因此所产生的电磁转矩存在一定的脉动。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-57

42、-5. 5. 功率密度功率密度 从体积和重量角度看，从体积和重量角度看，无刷直流电动机无刷直流电动机的功率密度的功率密度要比永磁同步电动机高，其功率密度一般是要比永磁同步电动机高，其功率密度一般是永磁同步电永磁同步电动机动机的的1.151.15倍，这主要归因于无刷直流电动机是方波电倍，这主要归因于无刷直流电动机是方波电动机，其磁密有效值与幅值的比值要比永磁同步电动机动机，其磁密有效值与幅值的比值要比永磁同步电动机高，单位峰值电流所产生的电磁转矩（或输出功率）较高，单位峰值电流所产生的电磁转矩（或输出功率）较大。大。第六章第六章 无刷直流电动机无刷直流电动机-58-6. 6. 应用场合应用场合 无刷直流电动机无刷直流电动机的转速是通过调节直流端的电压来的转速是通过调节直流端的电压来控制的，故控制系统比较简单，价格较便宜。但是由