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1、第三章稀土永磁无刷直流电动机第1页，共39页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 概概 述述n无刷直流电动机的发展n无刷直流电动机的优点n稀土永磁无刷直流电动机的优越性n无刷直流电动机的构成n无刷直流电动机的系统图n稀土永磁无刷直流电动机结构第2页，共39页，编辑于2022年，星期二 无刷直流电动机的发展无刷直流电动机的发展n电机理论n稀土永磁材料n电力电子器件n专用集成电路n计算机n新型控制理论第3页，共39页，编辑于2022年，星期二无刷直流电动机的优点无刷直流电动机的优点n可靠性高n维护方便n结构简单n特性好n散热容易n转速不受机械换向限制n噪声小第4页，共39页，编辑于2022年，星
2、期二稀土永磁无刷直流电动机的优越性稀土永磁无刷直流电动机的优越性n体积小、重量轻n转动惯量小、动态特性好n气隙大、力矩脉动小n方波电机设计、方波驱动n抗去磁能力强n磁路设计简化第5页，共39页，编辑于2022年，星期二无刷直流电动机的无刷直流电动机的构成框图构成框图第6页，共39页，编辑于2022年，星期二无刷直流电动机系统总体框图无刷直流电动机系统总体框图 功率主电路驱动电路PWM及逻辑合成电路转子位置检测电路主控电路串行LED显示电路BLDCM给定第7页，共39页，编辑于2022年，星期二无刷直流电动机的系统图无刷直流电动机的系统图第8页，共39页，编辑于2022年，星期二稀土永磁无刷直流
3、电动机工作原理示意图稀土永磁无刷直流电动机工作原理示意图第9页，共39页，编辑于2022年，星期二第10页，共39页，编辑于2022年，星期二n图（a），电流流通路径：电源正极-V1-A相-B相-V6-电源负极n图（b），电流流通路径：电源正极-V1-A相-C相-V2-电源负极n从（a）到（b）的60电角范围：n转子磁场连续转动n定子合成磁场不动第11页，共39页，编辑于2022年，星期二稀土永磁无刷直流电动机工作原理稀土永磁无刷直流电动机工作原理n定子合成磁场为跳跃式旋转磁场，每个步进角是60 电角n转子每转过60 电角，逆变器开关管换流一次n电机有6个磁状态，每一磁状态均为两相导通 n12
4、0 导通型逆变器：n每相流过电流的时间相当于转子转电角n每个开关管的导通角为120 第12页，共39页，编辑于2022年，星期二第13页，共39页，编辑于2022年，星期二稀土永磁无刷直流电动机结构示意图稀土永磁无刷直流电动机结构示意图第14页，共39页，编辑于2022年，星期二 稀土永磁无刷直流电动机转子结构稀土永磁无刷直流电动机转子结构第15页，共39页，编辑于2022年，星期二稀土永磁无刷直流电动机的逆变器稀土永磁无刷直流电动机的逆变器n两种主电路形式：n桥式n非桥式n最常用的主电路n三相星形六状态n三相星形三状态第16页，共39页，编辑于2022年，星期二 第17页，共39页，编辑于2
5、022年，星期二转子位置传感器n作用：检测转子磁极相对于定子绕组轴线的位置n常用的形式：n磁敏式n电磁式n光电式n接近开关式第18页，共39页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 基本公式基本公式n方波电动机n普通无刷直流电动机n数学模型第19页，共39页，编辑于2022年，星期二方波电动机n稀土永磁n径向激磁第20页，共39页，编辑于2022年，星期二方波电动机n集中整距绕组 q=1n二相导通星形三相六状态n磁场宽度120n电势平顶宽120第21页，共39页，编辑于2022年，星期二1电枢绕组感应电势v为导体相对于磁场的线速度:（m/s）(3-2)其中 n为电机转速（r/min）D为电枢内
6、径；为极距；p为极对数。单根导体在气隙磁场中感应电势为 （V）(3-1)式中 B为气隙磁感应强度；L为导体的有效长度；第22页，共39页，编辑于2022年，星期二n方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 (Wb)(3-5)式中 为计算极弧系数 n则有 (V)(3-6)n 设电枢绕组每相串联匝数为 n 则每相绕组的感应电势为 (V)(3-3)n 将式（3-2）代入式（3-1）得 (V)(3-4)第23页，共39页，编辑于2022年，星期二方波电动机1电枢绕组感应电势n将式（3-6）代入式（3-3）得每相绕组感应电势 (V)(3-7)n则线电势，即电枢感应电势为 (V)(3-8)式中 为电势常数 第2
7、4页，共39页，编辑于2022年，星期二方波电动机2.电枢电流n在每个导通时间内有以下电压平衡方程式 式中 U 为电源电压；为开关管的饱和管压降；为每相绕组电流；为每相绕组电阻。n由上式得 (A)(3-10)第25页，共39页，编辑于2022年，星期二方波电动机3.电磁转矩n在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场与转子永磁场相互作用而产生，则 (N.m)(3-11)式中 为电机的角速度 第26页，共39页，编辑于2022年，星期二方波电动机3.电磁转矩 (N.m)(3-12)式中 为转矩常数 第27页，共39页，编辑于2022年，星期二方波电动机4转速n 将式（2-8）代入式（2-9）
8、得 (r/min)n空载转速为 (r/min)第28页，共39页，编辑于2022年，星期二普通无刷直流电动机普通无刷直流电动机n普通永磁材料励磁n气隙磁场近似为正弦波n电势近似为正弦波n设计中近似处理仅考虑基波第29页，共39页，编辑于2022年，星期二第30页，共39页，编辑于2022年，星期二第31页，共39页，编辑于2022年，星期二稀土永磁无刷直流电动机的数学模型稀土永磁无刷直流电动机的数学模型n由于方波电动机的气隙磁场、反电势以及电流都是非正弦的，因此采用直、交轴坐标变换已不是有效的分析方法n直接利用电动机原有的相变量，即在三相定子坐标系（A，B，C）轴系下建立电机的数学模型比较方便
9、，又可获得较准确的结果。第32页，共39页，编辑于2022年，星期二稀土永磁无刷直流电动机的数学模型稀土永磁无刷直流电动机的数学模型n以两相导通星形三相六状态为例，假设：定子三相完全对称；忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的表面内；忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗；不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似为矩形波，平顶宽度为120电角度；转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。第33页，共39页，编辑于2022年，星期二稀土永磁无刷直流电动机的数学模型稀土永磁无刷直流电动机的数学模型n定子电压方程 式中 定子相绕组电压（V）；定子相绕组电流（A）；定子相绕组电动势（V）；定子各相绕组的自感（H）；定
10、子每两相绕组间的互感(H）；P微分算子第34页，共39页，编辑于2022年，星期二稀土永磁无刷直流电动机的数学模型稀土永磁无刷直流电动机的数学模型n因电机三相绕组完全对称，所以n令 n则定子电压方程简化为：（3-19）第35页，共39页，编辑于2022年，星期二三相方波电流和三相梯形波反电势第36页，共39页，编辑于2022年，星期二稀土永磁无刷直流电动机的数学模型稀土永磁无刷直流电动机的数学模型n当三相绕组为星形连接，且没有中线，则有 n并且 n代人式（319），得电压方程为：第37页，共39页，编辑于2022年，星期二稀土永磁无刷直流电动机的数学模型稀土永磁无刷直流电动机的数学模型n电磁转矩为 n式中 转子角速度 第38页，共39页，编辑于2022年，星期二方波驱动电机的等效电路图 第39页，共39页，编辑于2022年，星期二