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1、船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室第第5章章 直流电机直流电机 5.1 5.1 直流电机的工作原理和结构特点直流电机的工作原理和结构特点5.2 5.2 直流电机的励磁方式和运行特性直流电机的励磁方式和运行特性 5.3 5.3 无刷直流电动机无刷直流电动机 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室内容简介内容简介本章主要内容包括：直流电机的结本章主要内容包括：直流电机的结构特点、工作原理和直流发电机、构特点、工作原理和直流发电机、直流电动机的基本运行特性、无刷直流电动机的基本运行特性、无刷直流电动机等。直流电动机等
2、。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室电枢绕组在原动机的拖动下逆时针方向旋转电枢绕组在原动机的拖动下逆时针方向旋转 发电机的电动势为发电机的电动势为电电源电动势源电动势。电枢中有。电枢中有电流以后电流以后,电流与磁电流与磁场相作用产生电磁转场相作用产生电磁转矩。矩。方向与转动方方向与转动方向相反向相反,故称故称反转矩反转矩 。1)直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 5.1 直流电机的工作原理和结构特点直流电机的工作原理和结构特点5.1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动
3、化教研室直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈电电动动机机的的电电磁磁转转矩矩是是驱驱动动转转矩矩.在在旋旋转转的的过过程程中中,电电枢枢线线圈圈也也切切割割磁磁场场而而产产生生电电动动势势,该该电电动动势势的的方方向向总总是是与与电电流流方方向向相相反反,故称为故称为反电动势反电动势.2)直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室3)直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置 直流电机的电枢绕组实际采用分直流电机的电枢绕组实际采用分布式线圈结构，每个线圈有两个布式线圈结构，每个线圈有
4、两个边，分别置于相距一个磁极极距边，分别置于相距一个磁极极距位置的槽内，即这些线圈沿电枢位置的槽内，即这些线圈沿电枢铁心圆周均匀分布，并通过相应铁心圆周均匀分布，并通过相应数量的换向片依次串联构成一个数量的换向片依次串联构成一个闭合回路闭合回路 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室电电刷刷的的位位置置正正确确与与否否,将将影影响响到到正正负负电电刷刷间间的的电电动动势势E,从从而而影影响响到到发发电电机机的的电电压压和和电电动动机机的的转转速速;同同时电刷的位置也影响到电刷下的火花。时电刷的位置也影响到电刷下的火花。电刷的正确位置电刷的正确位置 确定电
5、刷正确位置的原则是，使正负电刷间能获得确定电刷正确位置的原则是，使正负电刷间能获得最大电动势最大电动势 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室电刷放在磁场几何中性线上电刷放在磁场几何中性线上 为了保证电刷的正确位置，通常在刷架与端盖或刷架与定子为了保证电刷的正确位置，通常在刷架与端盖或刷架与定子之间设置了正确装配的之间设置了正确装配的“标记标记”。在运行管理中应经常注意。在运行管理中应经常注意检查，若发现刷架松动或移位，应按检查，若发现刷架松动或移位，应按“标记标记”加以校正和固加以校正和固定。定。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机
6、学院电气及自动化教研室5.1.2 直流电机的构造直流电机的构造 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室换向器的结构换向器的结构船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室5.1.3 直流电机的额定值直流电机的额定值 1.1.额定容量（额定容量（KWKW）:是指额定状态下是指额定状态下,发电机输出的电功率发电机输出的电功率Pn=UnIn,或电动机轴上输出的机械功率或电动机轴上输出的机械功率Pn=UnIn n;2.2.额定电压额定电压（V）：端电压
7、端电压Un;3.3.额定电流额定电流（A）：发电机输出的或电动机输入的额定电流发电机输出的或电动机输入的额定电流In;4.4.额定转速额定转速nN：额定状态下的转速额定状态下的转速;此外此外,还有绝缘等级和温升、工作制和使用条件等还有绝缘等级和温升、工作制和使用条件等。5.励磁方式及额定励磁电流励磁方式及额定励磁电流If(A);船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室按励磁绕组与电枢绕组的连接关系，直流电机可分为：他励按励磁绕组与电枢绕组的连接关系，直流电机可分为：他励（或称它励）、并励、串励和复励（或称它励）、并励、串励和复励4种种：他励电动机：他励电动
8、机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。5.2 直流电机的励磁方式和运行特性直流电机的励磁方式和运行特性5.2.1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室M他励他励UfIfIa
9、UM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室电枢通入电流后，产生电电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用产生感应电动势（用E表表示）。示）。FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE5.2.2 直流电机的基本理论直流电机的基本理论 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室CE:与电机结构有关的常数称为电势常数与电机结构有关的常数称为电势常数CT:与电机
10、结构有关的常数与电机结构有关的常数,称为转矩常数称为转矩常数P1:输入的机械功率输入的机械功率,P2:输出的电功率输出的电功率,P电机内部各种损耗电机内部各种损耗船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室因因为为E=Ken,而而与与If之之间间为为磁磁化化曲曲线线关关系系,所所以以空空载载特特性性曲曲线线与与磁磁化化曲曲线相似。线相似。1)空载特性空载特性剩磁电压剩磁电压Er：励：励磁电流等于零时的开磁电流等于零时的开路电压路电压,约为约为额定电压的额定电压的25。当发电机空载当发电机空载(I=0)及保持额定转速不变时及保持额定转速不变时,电枢电动势电枢电动
11、势(或空载或空载电压电压U0)与励磁电流与励磁电流If之间的关系之间的关系E=f(If)。EEr0If5.2.3 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室自自励励发发电电机机靠靠剩剩磁磁建建立立电电压压。非非线线性性的的空空载载特特性性曲曲线线(E=f(If)与与线线性的场阻线性的场阻线(Rf=E/If)的交点即为自励的稳定电压。的交点即为自励的稳定电压。电路暂态过程的电压平衡方程电路暂态过程的电压平衡方程EE=IfRfE=f（If）Er0If2)自励发电机的建压条件自励发电机的建压条件 船舶电气设备及系统 课 件
12、轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室在稳定交点之前在稳定交点之前,dIf/dt0,励磁电流励磁电流If一直增加一直增加。在稳定交点处在稳定交点处,E-IfRf=0和和dIf/dt=0,If和和E都不再变化都不再变化。3.励磁电路的电阻要适当。励磁电路的电阻要适当。自励发电机的自励起压条件自励发电机的自励起压条件:1.发电机要有剩磁；发电机要有剩磁；2.励磁电流磁场与剩磁场方向相同；励磁电流磁场与剩磁场方向相同；船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室3)外特性外特性在保持并励总电阻和额定转速不变的条件下在保持并励总电阻和额定转速不变的条件下
13、,发电机的有发电机的有载端电压与负载电流之间的关系载端电压与负载电流之间的关系U=f(I)。直流发电机电枢电路的电压平衡方程为直流发电机电枢电路的电压平衡方程为船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室（1 1）他励发电机）他励发电机电枢电流电枢电流Ia等于负载电流等于负载电流I，只有电枢电阻引起端电只有电枢电阻引起端电压的微小变化压的微小变化（2 2）并励发电机）并励发电机电枢电流电枢电流 Ia=I+If电枢电阻引起端电压的下降将电枢电阻引起端电压的下降将进一步引起并励电流及感应电进一步引起并励电流及感应电动势的减小动势的减小,电动势的减小电动势的减小,又
14、使电压进一步下降又使电压进一步下降船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室(3)(3)复励发电机复励发电机电枢电流电枢电流 Ia=I+If船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室复励发电机主磁极上的串励绕组的励磁电流可以是负载电复励发电机主磁极上的串励绕组的励磁电流可以是负载电流流(短复励短复励)或电枢电流或电枢电流(长复励长复励),复励发电机又分为复励发电机又分为积复积复励发电机励发电机和和差复励发电机差复励发电机。串励与并励磁场方向一致的复励发电机称为积复励发电机串励与并励磁场方向一致的复励发电机称为积复励发电机
15、串励与并励磁场方相反的复励发电机称为差复励发电机。串励与并励磁场方相反的复励发电机称为差复励发电机。根据串励绕组对端电压的补偿程度又分为根据串励绕组对端电压的补偿程度又分为平复励、欠复励和平复励、欠复励和过复励发电机。过复励发电机。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直直流流发发电电机机从从空空载载到到满满载载端端电电压压变变化化的的程程度度用用电电压压变变化化率表示率表示,即即4)4)电压变化率电压变化率他励发电机他励发电机 u(510);并励并励 u(1030);平复励平复励 u=0;欠复励欠复励 u 0;过复励过复励 u T0 n 飞车飞车船舶电
16、气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2.2.反转反转电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。（1 1）改变励磁电流的方向。）改变励磁电流的方向。改变直流电机转向的方法：改变直流电机转向的方法：注意：注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。不能同时变。（2 2）或改变电枢电流的方向。）或改变电枢电流的方向。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室5.2.5 5.2.5 直流电机的电枢反应和直流电机的换向直流电机的电枢反应和
17、直流电机的换向 当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢磁场，此时电机的气隙磁场由主磁产生电枢磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当电刷位于几何中性线上当电刷位于几何中性线上时，由于电枢磁场的方向时，由于电枢磁场的方向总是与主磁极磁场相正交，总是与主磁极磁场相正交，因此电枢反应的结果将导因此电枢反应的结果将导致主磁极磁场发生畸变，致主磁极磁场发生畸变，同
18、时也使得主磁极磁场的同时也使得主磁极磁场的磁通有所削弱，这对直流磁通有所削弱，这对直流电机的换向以及运行特性电机的换向以及运行特性都会带来不利的影响。都会带来不利的影响。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直流电机运行时，电枢绕组从定直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为变方向，这一过程称为直流电机直流电机的换向的换向。元件11 2船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化
19、教研室轮机学院电气及自动化教研室直流电机运行时，电枢绕组从定直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为变方向，这一过程称为直流电机直流电机的换向的换向。元件11 2船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直流电机运行时，电枢绕组从定直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组
20、中的电流将改电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为变方向，这一过程称为直流电机直流电机的换向的换向。元件11 2船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直流电机运行时，电枢绕组从定直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为变方向，这一过程称为直流电机直流电机的换向的换向。元件11 2船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室在定子主磁极之间
21、换向极用于改善换向，换向在定子主磁极之间换向极用于改善换向，换向极绕组与电枢绕组串联，由电枢电流所产生的极绕组与电枢绕组串联，由电枢电流所产生的换向极磁场与电枢绕组电流所产生的交轴电枢换向极磁场与电枢绕组电流所产生的交轴电枢磁场方向相反。它不仅用来抵消或削弱电枢磁磁场方向相反。它不仅用来抵消或削弱电枢磁场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的减少换向火花的目的船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室在主磁极的极面下开槽嵌
22、放补偿绕组也是在主磁极的极面下开槽嵌放补偿绕组也是用于改善换向的一种方法。用于改善换向的一种方法。此外，正确选用不同材料的电刷以及适当调此外，正确选用不同材料的电刷以及适当调整电刷位置等也可在一定程度上减小电刷下整电刷位置等也可在一定程度上减小电刷下的火花。的火花。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室5.3 5.3 无刷直流电动机无刷直流电动机 无刷直流电动机是随着电子技术迅速发无刷直流电动机是随着电子技术迅速发展而出现的一种新型微特电机，它以电展而出现的一种新型微特电机，它以电子换向装置代替了一般直流电动机的机子换向装置代替了一般直流电动机的机械换向
23、装置，因此保持了有刷直流电动械换向装置，因此保持了有刷直流电动机的优良控制特性，又克服了电刷机械机的优良控制特性，又克服了电刷机械摩擦引起的噪声、火花、无线电干扰和摩擦引起的噪声、火花、无线电干扰和寿命短的致命弱点。寿命短的致命弱点。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室无刷直流电动机原理框图无刷直流电动机原理框图5.3.15.3.1无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机的基本结构 是一台由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感是一台由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的器三者组成的“电动机系统电动机系统”，直流电源经由开关线路向，
24、直流电源经由开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置经由位置传感器检电动机定子绕组供电，电动机转子位置经由位置传感器检测，产生信号触发开关线路中的电力电子元件使之导通或测，产生信号触发开关线路中的电力电子元件使之导通或截止。截止。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室无刷直流电动机基本结构无刷直流电动机基本结构1 电动机定子电动机定子 2 电动机转子电动机转子 3 传感器定子传感器定子4 传感器转子传感器转子 5 电子开关电路电子开关电路 1.电动机本体电动机本体 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2 转子
25、位置传感器转子位置传感器 转子位置传感器是一种无机械接触的检测装置，转子位置传感器是一种无机械接触的检测装置，其作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置，其作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置，由电子换向代替有刷电机的电刷和换向器。由电子换向代替有刷电机的电刷和换向器。常见的转换方式有电磁转换、光电转换和磁敏转换。常见的转换方式有电磁转换、光电转换和磁敏转换。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室1）电磁式位置传感器）电磁式位置传感器 电磁式位置传感器电磁式位置传感器 由定子和转子两部分组成。传感由定子和转子两部分组成。传感器定子磁心及传感器转子上的扇器
26、定子磁心及传感器转子上的扇形部分均由高频导磁材料（如软形部分均由高频导磁材料（如软磁铁氧体）制成。定子一般有六磁铁氧体）制成。定子一般有六个极，它们之间的间隔分别为个极，它们之间的间隔分别为60，其中三个为励磁极，外施高频，其中三个为励磁极，外施高频电源励磁（一般的频率为几千赫电源励磁（一般的频率为几千赫到几十千赫），另外三个极分别到几十千赫），另外三个极分别绕上二次绕组绕上二次绕组W U、WV、WW，之间分别相隔之间分别相隔120。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当转子处在如图所示的位置时，当转子处在如图所示的位置时，励磁极的高频磁通通过转子扇励
27、磁极的高频磁通通过转子扇形导磁材料耦合到感应极上的形导磁材料耦合到感应极上的绕组绕组WV、并产生感应电压，并产生感应电压，该信号经过电子线路处理，变该信号经过电子线路处理，变成与电动机定、转子位置相对成与电动机定、转子位置相对应的换向信号。但是其它两个应的换向信号。但是其它两个绕组绕组W U、WW，因为非导磁因为非导磁材料的阻隔而不能形成磁路，材料的阻隔而不能形成磁路，感应电压为零。感应电压为零。电磁式位置传感器电磁式位置传感器 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2）光电式位置传感器）光电式位置传感器 这种传感器是由固定在这种传感器是由固定在定子上的
28、几个光电耦合定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成。遮光的遮光盘所组成。遮光盘开口的角度近似等于盘开口的角度近似等于绕组导通角相对应的机绕组导通角相对应的机械角度，且开口的数目械角度，且开口的数目等于无刷直流电动机转等于无刷直流电动机转子磁极的极对数。子磁极的极对数。光电式位置传感器光电式位置传感器 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室光电式位置传感器光电式位置传感器 几个光电耦合开关沿着圆周均匀几个光电耦合开关沿着圆周均匀分布，每只光电耦合开关是由相分布，每只光电耦合开关是由相互对应的红外发光二极管（或激互对应的红
29、外发光二极管（或激光器）和光电管所组成。红外发光器）和光电管所组成。红外发光二极管（或激光器）通电后发光二极管（或激光器）通电后发出红外光（或激光）；当遮光盘出红外光（或激光）；当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过随着转轴转动时，光线依次通过遮光盘开口，使对着的光电管导遮光盘开口，使对着的光电管导通，相应地产生反应转子相对定通，相应地产生反应转子相对定子位置的电信号。该信号经放大子位置的电信号。该信号经放大后去控制电力电子器件，使相应后去控制电力电子器件，使相应的定子绕组切换电流。的定子绕组切换电流。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室光电式位置传感器
30、光电式位置传感器 光电式位置传感器抗干扰能光电式位置传感器抗干扰能力强，工作温度范围目前可力强，工作温度范围目前可达到达到55100。光电式位。光电式位置传感器产生的电信号一般置传感器产生的电信号一般都较弱，需要经过放大才有都较弱，需要经过放大才有驱动能力。但它的优点是直驱动能力。但它的优点是直接输出直流电信号，不必再接输出直流电信号，不必再进行整流。进行整流。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室3）磁敏式位置传感器）磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是采用磁敏传感器实现位置检测的，目磁敏式位置传感器是采用磁敏传感器实现位置检测的，目前常见的磁敏传感器
31、有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电前常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种，以霍尔元件为最常用。它们具阻器及磁敏二极管等多种，以霍尔元件为最常用。它们具有不同的特性。有不同的特性。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室霍尔无刷直流电动机图霍尔无刷直流电动机图 由于无刷直流电动机的由于无刷直流电动机的转子是永磁的，可以方便地转子是永磁的，可以方便地利用霍尔元件的霍尔效应进利用霍尔元件的霍尔效应进行位置检测。图中两个霍尔行位置检测。图中两个霍尔元件元件H1H2以间隔以间隔90电角度电角度粘于电机定子绕组粘于电机定子绕组AB的轴的
32、轴线上，并通上控制电流，电线上，并通上控制电流，电机转子磁钢兼作位置传感器机转子磁钢兼作位置传感器的转子。的转子。四相霍尔无刷直流电动机的原理图四相霍尔无刷直流电动机的原理图船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室霍尔无刷直流电动机图霍尔无刷直流电动机图 当转子旋转时磁钢当转子旋转时磁钢N极和极和S极轮流靠近极轮流靠近H1H2，因而因而产生对应转子位置的两个产生对应转子位置的两个正的和两个负的霍尔电势，正的和两个负的霍尔电势，经放大后去控制功率放大经放大后去控制功率放大电路，使四个定子绕组轮电路，使四个定子绕组轮流切换电流。流切换电流。四相霍尔无刷直流电动
33、机的原理图四相霍尔无刷直流电动机的原理图船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室3 电子换向开关线路电子换向开关线路 电子换向开关线路中各功率元件分别与相应的电子换向开关线路中各功率元件分别与相应的各相定子绕组串联，各功率元件的导通与截止取决于各相定子绕组串联，各功率元件的导通与截止取决于位置传感器的信号。开关电路可分为桥式和非桥式两位置传感器的信号。开关电路可分为桥式和非桥式两大类。非桥式开关电路所用的功率元件较少，用于开大类。非桥式开关电路所用的功率元件较少，用于开启式电枢绕组。绕组电路的导通状态可以是一个依次启式电枢绕组。绕组电路的导通状态可以是一个
34、依次通电，也可以是多相同时通电，此时电枢合成磁场是通电，也可以是多相同时通电，此时电枢合成磁场是由通电的多相磁场所合成。由通电的多相磁场所合成。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室5.3.2 5.3.2 无刷直流电动机的基本原理无刷直流电动机的基本原理 三只功率晶体管构成功率逻三只功率晶体管构成功率逻辑单元来驱动两极星形三相绕组，辑单元来驱动两极星形三相绕组，采用光电器件作为位置传感器，并采用光电器件作为位置传感器，并经过信号处理放大后去控制开关电经过信号处理放大后去控制开关电路功率晶体管的导通，使串联在晶路功率晶体管的导通，使串联在晶体管的定子绕组与
35、外电源接通。由体管的定子绕组与外电源接通。由于遮光盘与电动机转子同轴旋转，于遮光盘与电动机转子同轴旋转，使得从光源射来的光线依次照射在使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。磁极的位置。三相无刷直流电动机半控桥电路原理图 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当电机转子处于图所示的位置时，此时光电器件当电机转子处于图所示的位置时，此时光电器件VP1被光照射，功被光照射，功率晶体管率晶体管V1呈导通状态，而呈导通状态，而V2、V3截止。
36、电流流过主定子绕组截止。电流流过主定子绕组UU，于是永磁主转子磁场与电枢磁场相互作用产生转矩，使转子的于是永磁主转子磁场与电枢磁场相互作用产生转矩，使转子的磁极按图（磁极按图（a）中的箭头方向（顺时针方向）转动，并力图占据该中的箭头方向（顺时针方向）转动，并力图占据该绕组磁势轴线的位置。绕组磁势轴线的位置。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室随着电动机转子的转动，直接装在转子轴上的遮光盘跟着同步随着电动机转子的转动，直接装在转子轴上的遮光盘跟着同步旋转，当电机转过旋转，当电机转过2/3电角度使转子处于图（电角度使转子处于图（b）所示的位置所示的位置时，
37、遮光盘遮住时，遮光盘遮住VP1 而使而使VP2受光照射，从而使晶体管受光照射，从而使晶体管V1截止、截止、晶体管晶体管V2导通导通，V1、V3截止，电流从绕组截止，电流从绕组UU断开而流入绕断开而流入绕组组W，使得转子磁极继续按顺时针方向旋转。使得转子磁极继续按顺时针方向旋转。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当转子在空间转过当转子在空间转过4/3电角度后，位置传感器使晶体管电角度后，位置传感器使晶体管V3开开始导通，始导通，V1、V2截止，相应电枢绕组截止，相应电枢绕组WW有电流通过。电有电流通过。电枢磁场与转子磁场相互作用仍使转子按顺时针方向旋转
38、，如枢磁场与转子磁场相互作用仍使转子按顺时针方向旋转，如图（图（c）所示。所示。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室依次类推，通过位置传感器将重复上述的换流情况，如此循环依次类推，通过位置传感器将重复上述的换流情况，如此循环下去，无刷直流电动机在电枢磁场与永磁转子磁场的相互作用下去，无刷直流电动机在电枢磁场与永磁转子磁场的相互作用下，主转子随着绕组导通的顺序而旋转，并带动遮光盘同时朝下，主转子随着绕组导通的顺序而旋转，并带动遮光盘同时朝顺时针方向旋转。于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转，顺时针方向旋转。于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转，并重新回到
39、图（并重新回到图（a）的位置。的位置。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室三相星形非桥式无刷直流三相星形非桥式无刷直流电动机各相绕组与位置控电动机各相绕组与位置控制传感器导通顺序的关系制传感器导通顺序的关系如图所示。可以看出，由如图所示。可以看出，由于一个磁状态对应一相导于一个磁状态对应一相导通，所以角通，所以角aC和角和角am都等都等于于2/3。当电机是当电机是p对磁极对磁极时，位置传感器遮光盘应时，位置传感器遮光盘应有有p个均匀分布的开口，每个均匀分布的开口，每个开口角度为个开口角度为aP2/（3p）。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化
40、教研室轮机学院电气及自动化教研室5.3.3 5.3.3 无刷直流电动机正反转控制方法无刷直流电动机正反转控制方法 在许多场合均要求电动机能够方便地实现正反转，在许多场合均要求电动机能够方便地实现正反转，永磁式有刷直流电动机的反转运行是由改变电枢两端与永磁式有刷直流电动机的反转运行是由改变电枢两端与电源的极性连接（反接）来实现的。电源的极性连接（反接）来实现的。由于无刷直流电动机换向电路的电力电子器件导由于无刷直流电动机换向电路的电力电子器件导电具有单向性，不允许反接到电源上，因此不能简单电具有单向性，不允许反接到电源上，因此不能简单地采用改变电源电压的极性实现电动机反转。地采用改变电源电压的极
41、性实现电动机反转。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室反转的实现可采用下法：反转的实现可采用下法：将每组绕相两端头互换，变换绕组中电流的方向将每组绕相两端头互换，变换绕组中电流的方向 改变位置传感器的输出电压信号，采用正反转两套改变位置传感器的输出电压信号，采用正反转两套位置传感器，如果用霍尔元件作位置传感器，可将每片位置传感器，如果用霍尔元件作位置传感器，可将每片一对电流端两端互换或电势端两端互换一对电流端两端互换或电势端两端互换 逻辑门选通方法，即电机传感器设计上有专门的考逻辑门选通方法，即电机传感器设计上有专门的考虑，在控制电路用一逻辑信号（代表
42、正反转状态）的指虑，在控制电路用一逻辑信号（代表正反转状态）的指令来改变电机各相绕组的导通顺序令来改变电机各相绕组的导通顺序 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室基本原理都是通过改变定子绕组磁势和转子磁场的相对关系来改基本原理都是通过改变定子绕组磁势和转子磁场的相对关系来改变旋转方向。变旋转方向。图（图（a）和（和（b）分别表示电枢绕组分别表示电枢绕组U相导通时电机正、反转时的相导通时电机正、反转时的定、转子磁场相对位置，正反转时电枢电流方向不变，因而电枢定、转子磁场相对位置，正反转时电枢电流方向不变，因而电枢磁势的方向不变。磁势的方向不变。船舶电气设
43、备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室图（图（a）所示的转子磁钢位置时，所示的转子磁钢位置时，U相绕组导通，电流方向如图所相绕组导通，电流方向如图所示，在电磁转矩的作用下，转子将逆时针旋转。定子绕组通电顺示，在电磁转矩的作用下，转子将逆时针旋转。定子绕组通电顺序是序是UVW，但若如图（但若如图（b）所示，当转子转过所示，当转子转过180以后，以后，U相绕组才导通，这样产生的电磁转矩将驱使转子顺时针转动，定相绕组才导通，这样产生的电磁转矩将驱使转子顺时针转动，定子绕组通电顺序变为子绕组通电顺序变为UWV。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电
44、气及自动化教研室因此，只要能得到在时间相位上相差因此，只要能得到在时间相位上相差180180的驱动信号，去控制相的驱动信号，去控制相应的绕组导通就能实现正反转。这个信号可以通过两套在空间错应的绕组导通就能实现正反转。这个信号可以通过两套在空间错开开180180电角度的位置传感器获得，一套控制电动机正转，另一套电角度的位置传感器获得，一套控制电动机正转，另一套控制反转；也可以将正转信号通过电子线路进行一定的逻辑处理，控制反转；也可以将正转信号通过电子线路进行一定的逻辑处理，来得到相差来得到相差180180电角度的反转信号。电角度的反转信号。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机
45、学院电气及自动化教研室无刷直流电动机结构上由电子开关电路、永磁无刷直流电动机结构上由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成，以电子换向式同步电动机以及位置传感器三者组成，以电子换向装置代替了一般直流电动机机械换向装置装置代替了一般直流电动机机械换向装置 。因而既。因而既有直流电动机的优良控制特性，又具有交流电动机结有直流电动机的优良控制特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。可以作为一般构简单、运行可靠、维护方便等优点。可以作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用。转速直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用。转速不受机械换向的限制，尤其适合于高级电子设备、航不受机械换向的限制，尤其适合于高级电子设备、航空航天技术、数控装置。空航天技术、数控装置。