内转子，外定子内转子，外定子 外转子，内定子外转子，内定子无刷直流电动机基本结构XCYANBZNSAXBYCZSN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+换向器电机是：合二为一，各伺其职！合二为一：定子转子各伺其职：定子：产生电流I转子：产生磁场Bf=BIL 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。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。6步通电顺序 三相绕组通电遵循如下规则：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；绕组不导通； 通电顺序如下：通电顺序如下： 1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.6.A+C-A+C-6步通电顺序1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.6.A+C-A+C- 每步磁场旋转每步磁场旋转6060度，每度，每6 6步旋转磁场旋转一周；步旋转磁场旋转一周；每步仅一个绕组被换相。每步仅一个绕组被换相。 随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。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：磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：123456123456 磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：654321654321 1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.6.A+C-A+C-2）如何实现换相？1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.6.A+C-A+C-必须换相才能实现磁场的旋转，如果根据转子磁极的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。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。相点的位置即可。在无刷直流电机中，一般采用在无刷直流电机中，一般采用3 3个开关型霍尔传感器测个开关型霍尔传感器测量转子的位置。由其输出的量转子的位置。由其输出的3 3位二进制编码去控制逆变位二进制编码去控制逆变器中器中6 6个功率管的导通实现换相。个功率管的导通实现换相。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。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 如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N N极逐渐靠近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；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； 当当N 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；只有磁场转变为然保持导通状态；只有磁场转变为S S极并达到一定值时，其输出极并达到一定值时，其输出才翻转为截止状态。才翻转为截止状态。 在在S-NS-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%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。电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。 直流无刷电机中一般安装直流无刷电机中一般安装3 3个霍尔传感器，间隔个霍尔传感器，间隔120120度或度或6060度按圆周分布。度按圆周分布。 如果间隔如果间隔120120度，则度，则3 3个霍尔传感器的输出波形相差个霍尔传感器的输出波形相差120120度度电角度；电角度； 输出信号为高、低电平各占输出信号为高、低电平各占180180度电角度。度电角度。 如果规定输出信号高电平为如果规定输出信号高电平为“ “1”1”，低电平为，低电平为“ “0”0”，则输，则输出的三个信号可用出的三个信号可用3 3位二进制编码表示。位二进制编码表示。100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110n n如果间隔如果间隔6060度，则输出波形相差度，则输出波形相差6060度电角度。度电角度。n n间隔间隔120120度与度与6060度的二进制编码是不同的。度的二进制编码是不同的。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451A B CX Y Z 图图5 三相永磁无刷直流电动机三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路的电子换向器主回路326一、电枢绕组的反电势一、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单根电枢绕组在气隙磁场中的感应电势 式中：式中：B B 气隙磁感应强度；气隙磁感应强度； l 导体的有效长度；导体的有效长度； v 转子相对于定子导体的线速度。转子相对于定子导体的线速度。对于线速度对于线速度v 有：有： 式中：式中：n 电动机转速，单位为电动机转速，单位为r/minr/min； D 电枢内径；电枢内径； p 极对数；极对数； 极距。极距。如果定子每相绕组串联的匝数是如果定子每相绕组串联的匝数是N，则，则每相绕组的反电势为：每相绕组的反电势为：方波气隙磁感应强度对应的方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为：每极磁通为： 其中，其中，是计算极弧系数。因而有：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 E为两相为两相电势之和：电势之和： 计算极弧系数的定义为：一个极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距内的气隙磁密平均值和气隙磁密最大值的比值。密最大值的比值。磁通：通过某一截面积的磁力线总数，用磁通：通过某一截面积的磁力线总数，用表示，单位为韦（伯）表示，单位为韦（伯）WbWb；磁感应强度；磁感应强度是与磁力线方向垂直的单位面积上所通过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，也叫磁的磁力线数目，又叫磁力线密度，也叫磁通密度，用通密度，用B B表示，单位为特（斯拉）表示，单位为特（斯拉）T T。 方波电动机的电磁转矩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。而产生的。可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩。 式中：式中： 角速度，角速度， I I 电枢电流电枢电流 E E 两相电动势之和两相电动势之和 二、电磁转矩二、电磁转矩对于转矩则有：对于转矩则有： （5-3） 从式（从式（5-25-2）和式（）和式（5-35-3）可以看出，三相永磁方波电动机与永磁直流电动机）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。有完全相同的反电势公式和转矩公式。 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.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.永磁无刷直流永磁无刷直流电动机的机械电动机的机械特性曲线对比特性曲线对比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.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.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单元电机Z0 和p0 组合选择的约束约束条件条件: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。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表贴式电气学院表贴凸出式和插入式转子磁路结构图电气学院其结构简单，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、混合式内置式内置式电气学院1）内置径向式电气学院永磁体材料的选择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。电气学院转子设计转子设计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，它是由主磁场主磁场在铁心中发生变化变化时产生的。（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中产生的损耗，对直流电机或同步电机而言，也包括电刷在换向器或集电环上的接触电阻损耗。B（1）、（2）、（5）项损耗称为空载损耗或不变损耗，（3）、（4）项又称为负载损耗或可变损耗。（5）机械损耗，它包括通风损耗，轴承摩擦损耗和电刷与集电环或换向器间的摩擦损耗。（4）负载时的附加（或杂散）损耗，是由定子或转子电流所产生的漏磁场在定、转子绕组里和铁心及结构件里引起的各种损耗。謝謝謝謝