新型电机1.ppt

1、无刷直流电机 直线电机 开关磁阻电机,新型电机,无刷直流电动机 1. 系统的组成 如图1所示，无刷永磁电动机伺服系统主要由4个部分组成：永磁同步电动机MS、转子位置检测器BQ、逆变器和控制器。,图1 无刷永磁电动机伺服系统的组成,2电枢绕组及其与逆变器的连接 最常见的无刷直流电动机为三相，也有采用二相、四相和五相的。绕组接法有星形和角形之分。逆变器有全桥和半桥两种。,（a）半桥电路 （b）绕组星形连接的桥式电路,（c）绕组角形连接的桥式电路 图2 三相无刷直流电动机绕组连接方式,3无刷直流电动机的工作原理 星形全桥接法三相无刷直流电动机，各电量的正方向如图。,图3 三相无刷直流电动机原理图,假

2、设无刷直流电动机为2极，定子绕组为三相整距集中绕组，转子采用表面式结构，永磁体宽度为120电角度，转子按逆时针方向旋转，电角速度为r，如图所示。,t =0 t =60 t =120 t =180 t =240 t =300 t =360,t =0,（a）rt=0（换相前） （b）rt=0（换相后）,（c）rt=60（换相前） （d）rt=60（换相后） 图4无刷直流电动机工作原理,t =60,4电枢磁势 对于二相导通三相六状态工作方式，转子每转过60，电枢磁势跳跃前进60，电枢磁势领先转子磁势的电角度保持在60120之间。,CB导通 AB导通 AC导通,5感应电动势和绕组电流波形 现在来分析上

3、述工作情况下定子绕组感应电动势、绕组电流波形。为了突出主要问题，分析中作如下理想假定：（1）气隙磁场仅由转子上的永磁体建立，所产生的气隙磁密在永磁体所覆盖的120范围内保持恒定，在N、S极两永磁体之间线性变化，其空间分布波形为如图5所示的平顶宽度为120电角度的梯形波；（2）直流侧电流恒定；（3）绕组电流的换相是瞬间完成的。,图5 气隙磁场的空间分布,图3-11 感应电动势、绕组电流及电磁转矩波形,无刷直流电机根据转子位置信号，不断改变定子绕组的通电状态，使电磁转矩保持不变。它具有交流电机的结构，直流电机的性能，改变供电电压可以方便的进行调速。,直线电动机 直线电动机由于不需要任何中间转换机构

4、就能产生直线运动，驱动直线起动的生产机械，所以使整个装置或系统结构简单、运行可靠、精度高、效率高等，因此是近年来国内外积极研究开发的电动机之一。 直线电动机按其工作原理可分为：直线感应电动机、直线直流电动机、直线同步电动机、直线步进电动机等。 一、直线感应电动机 直线感应电动机主要有扁平型、圆筒型和圆盘型三种型式，其中扁平型应用最为广泛。,1扁平型 直线电动机可以看作是由旋转电动机演变而来的。设想把旋转的感应电动机沿着径向切开，并将圆周展开成直线，即可得到扁平型直线感应电动机。由定子演变而来的一侧称为一次侧（定子），由转子演变而来的一侧称为二次侧（动子）。,图1 直线感应电动机的演变过程,一次

5、侧和二次侧长度是相等的直线感应电动机不能实用。实际应用时，必须把一次例和二次侧制造成不同长度。,图2 单边型直线感应电动机 (a) 长动子短定子； (b) 短动子长定子,图3 双边型直线感应电动机,2圆筒型(管型),图4 圆筒型直线感应电动机 将扁平型直线感应电动机沿着与直线运动相垂直的方向卷成筒形，就形成圆筒型直线感应电动机。,二、直线同步电动机 会议论文：潜油圆筒形直线永磁同步电动机 1. 电机总体结构 电机选用圆筒形直线永磁同步电动机的结构，其中定子包括定子铁心和定子槽中放置的三相定子绕组。考虑到潜油的应用实际，采用短定子长动子的内动子结构。,图1 潜油圆筒形直线永磁同步电动机结构,2.

6、 永磁动子结构 永磁动子采用轴向磁体结构，特点是磁体制造方便，通过磁体结构尺寸的优化设计，可以得到良好的正弦分布的气隙磁密。,图2 动子磁体结构,3. 定子绕组结构 定子绕组采用9槽/10极结构，特点是每极每相槽数少，便于降低电机的线速度；齿槽力小，制造方便。,图3 9槽10极结构,4. 定子铁心结构,(a) 轴截面硅钢片叠压结构 (b) 工字形硅钢片定子铁心结构 图4 不同定子铁心结构,圆筒形直线永磁同步电动机有两种铁心结构即如图4(a)所示的轴截面硅钢片叠压结构及如图4(b)所示的工字形硅钢片制成的定子铁心结构。,相对图4(b)结构，图4(a)结构具有以下缺陷：, 由于该种结构定子轭部铁心

7、只能采用实心导磁材料，但磁场路径如图4(a)中箭头所示，因此会在其中定子铁心轭中产生很大的铁耗； 定子齿部叠片铁心中的磁场所产生的涡流环流沿圆周方向，即使叠片铁心也不能阻隔环流电流回路，因此在其中也会产生很高的涡流损耗； 只能制成开口槽结构，这样不但增大了电机的有效气隙，而且产生齿槽力脉动，影响到输出力的稳定性。 因此本样机电机采用如图4（b）所示的工字形硅钢片制成的定子铁心，当然该种铁心结构制作工艺复杂，这也是在进行工程样机之前必须制作小型样机的原因之一。,5. 样机电机及试验 样机供电电压为3相500V，其有效定子铁心长度为864mm，实物样机如图5所示。,图5 样机电机实物图,图6 负载

8、试验装置,(a) P1随F的变化 (b) 系统效率 随F的变化,(c) 系统功率因数cos 随F的变化 图7 430V，0.535m/s速率时电机系统的负载特性,开关磁阻电动机 一、结构和原理 开关磁阻电动机，主要由磁阻电机、功率变换器、控制器和传感器等部分构成。,图1 开关磁阻电动机的组成,图2 8/6极开关磁阻电机机驱动电路,86极开关磁阻电机及一相驱动电路。在结构上，开关磁阻电机的定子和转子都为凸极式，由硅钢片叠压而成，但定、转子的极数不相等。定子有8个极，在极上装有集中式绕组，两个径向相对极上的绕组串联或并联起来构成一相绕组，比如A和A极上的绕组串联构成了A相绕组。转子上没有绕组。,开

9、关Sl、S2闭合时，A相绕组通电，所产生的磁。当转子极1-1与定子极A-A接近时，在磁阻转矩作用下，转子将转动并趋向使转子极中心线1-1与定子极中心线A-A重合。 当这一过程接近完成时，适时切断A相电流，并以相同方式给定子下一相励磁，则将开始第二个完全相似的作用过程。若以图2 中定、转子所处位置为起始点，依次给D-A-B-C相绕组通电，则转子顺时针方向旋转；若按B-A-D-C顺序通电，则转子逆时针方向转动。当m相绕组轮流通电一次，转子转过一个转子极距。设每相绕组开关频率为fph，转子极数为Zr，则Zs电机的转速与绕组开关频率的关系为,二、开关磁阻电机的电感特性,假设电机定、转子铁心材料的磁导率

10、为无限大，则电感是转子位置角的函数。当转子极处于定子两极之间，定子极弧与转于极弧无重合，电感有最小值；当转子位置角增大，转子极弧开始与定子极弧重合，绕组电感随之线性增大，当全部定子极弧均与转子极弧相重合时，电感达到最大值，这一最大值将在r-s内保持不变。当继续增大时，定、转子极弧的重叠部分将线性减小，故电感随之线性下降。,图3 线性电感特性,三、开关磁阻电机的电磁转矩 电磁转矩为,由此可知： (1) 开关磁阻电机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导(电感)变化产生的，当电流一定时，磁导(电感)变化率大，转矩也大，若变化率为零，转矩也为零。 (2) 电磁转矩大小与电流的平方成正比，因此，可以通过增大

11、绕组电流来提高电机的电磁转矩。 (3 )转矩方向与电流的方向无关，仅取决于电感随转角的变化情况，故可以采用单极性电流供电。 虽然上述分析和结论是在一系列假设条件下得到的，但对了解开关磁阻电机的基本工作原理、定性分析转矩产生及电机的工作状态是十分有益的。,四、开关磁阻电机结构型式与分类 开关磁阻电机除了图1 所示的4相86极之外，还有多种结构类型，常用的有三相和四相结构。电机的相数m、定子极数Zs和转子极数Zr之间有许多种可能的组合，但它们之间一般应满足以下关系,k为正整数。为了减小贴心损耗，一般取ZrZs。,三相6/4极 三相12/8极 四相8/6极 图4 不同相数/极数的开关磁阻电机,五、开

12、关磁阻电机的控制方式 目前，在阳电机驱动系统中最常用的主要有二种控制方式，即电流斩波控制和角位置控制。,图5 电流斩波控制,在 时，开关元件导通，绕组电流i从零开始上升，达到峰值Imax时，将开关元件关断，电流快速下降，当电流下到Imin时，对绕组重新通电。如此反复升通、关断，形成锯齿形电流波形，直至 关断，电流衰减至零。,电流斩波控制方式具有如下特点： (1) 适用于低速和制动运行。 (2) 转矩平稳。 (3) 适合用作转矩调节系统。 (4) 用作调速系统时抗负载扰动的动态响应慢。为提高调 速系统在负载扰动下的转速响应速度，要求转速检测调节环节动态响应快。,2角位置控制 角位置控制就是控制开

13、通角on和关断角off。在on和off间，对绕组加正电压，在绕组中建立和维持电流；在off之后一段时间内，绕组承受反电压，电流续流并快速下降，直至消失，对应的电流波形示于图6，为一个完整的脉冲，因此，这种运行方式有时也称为单脉冲运行。,在电动运行状态下，开通角on提前，则在小电感区段电流上升时间加长，使电流波形发生如下变化： (1) 波形加宽； (2) 波形的峰值和有效值增加； (3) 与电感波形的相对位置变化。,图6 角度控制,改变on电感上升段电流变化，从而改变了电动机转矩。当电机负载一定时，转速n随之变化。,图7 不同on时的电流波形,改变off一般不影响电流峰值，但影响电流波形宽度及其同电感曲线的相对位置，电流有效值也随之变化，因此off同样对电动机的转矩、转速产生影响，但其影响没有on那么大。,图8 不同off的电流波形,角位置控制方式有如下特点： (1)