第 10章 无刷直流电动机第 10章 无刷直流电动机
10.1 概述
10.2 无刷直流电动机的基本结构
10.3 无刷直流电动机工作原理
10.4 无刷直流电动机的运行特性
10.5 无刷直流电动机的电枢反应
10.6 改变无刷直流电动机转向的方法思考题与习题第 10章 无刷直流电动机
10.1 概 述直流电动机主要优点是调速和启动特性好,堵转转矩大,因而被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中 。 但是,直流电动机都有电刷和换向器,其间形成的滑动机械接触严重地影响了电机的精度,性能和可靠性,所产生的火花会引起无线电干扰,缩短电机寿命,换向器电刷装置又使直流电机结构复杂,噪音大,
维护困难,因此长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机 。
第 10章 无刷直流电动机随着电子技术的迅速发展,各种大功率电子器件的广泛采用,这种愿望已被逐步实现 。 本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器,使这种电机既具有直流电动机的特性,
又具有交流电动机结构简单,运行可靠,维护方便等优点； 它的转速不再受机械换向的限制,若采用高速轴承,还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行 。
第 10章 无刷直流电动机因此,无刷直流电动机用途非常广泛,可作为一般直流电动机,伺服电动机和力矩电动机等使用,尤其适用于高级电子设备,机器人,航空航天技术,数控装置,医疗化工等高新技术领域 。 无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体,把先进的电子技术应用于电机领域,这将促使电机技术更新,更快的发展 。
第 10章 无刷直流电动机无刷直流电动机是由电动机,转子位置传感器和电子开关线路三部分组成,它的原理框图如图 10 - 1所示 。 图中直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电,电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止,从而控制电动机的转动 。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 1 无刷直流电动机的原理框图第 10章 无刷直流电动机
10.2 无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机的基本结构如图 10 - 2所示 。 图中电动机结构与永磁式同步电动机相似,转子是由永磁材料制成一定极对数的永磁体,但不带鼠笼绕组或其它启动装置,主要有两种结构型式,如图 10 - 3(a)和
(b)所示 。 第一种结构是转子铁心外表面粘贴瓦片形磁钢,称为凸极式； 第二种结构是磁钢插入转子铁心的沟槽中,称为内嵌式或隐极式 。
第 10章 无刷直流电动机初期永磁材料多采用铁氧体或铝镍钴,现在已逐步采用高性能钐钴或钕铁硼 。 定子是电动机的电枢 。 定子铁心中安放着对称的多相绕组,可接成星形或封闭形
(角形 ),各相绕组分别与电子开关线路中的相应晶体管相连接 。 电子开关线路有桥式和非桥式两种 。 图 10
- 4表示常用的几种电枢绕组连接方式,其中图 (a),(b)
是非桥式开关电路,其它是桥式开关电路 。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 2 无刷直流电动机的基本结构第 10章 无刷直流电动机图 10 - 3 永磁转子结构型式第 10章 无刷直流电动机图 10 - 4 电枢绕组连接方式第 10章 无刷直流电动机
10.2.1 电磁式这种传感器的结构如图 10 - 5所示 。 它由定子和转子两部分组成 。 定子磁心及转子上的扇形部分均由高频导磁材料 (如软磁铁氧体 )制成,导磁扇形片数等于电机极对数,放置在不导磁的铝合金圆盘上制成了转子 。 传感器定子由磁心和线圈组成,磁心的结构特点是中间为圆柱体,安放励磁绕组,外施高频电源励磁 。
圆周上沿轴向有凸出的极,极上套着信号线圈产生信号电压 。 可以看出,这实际上是一个有共同励磁线圈的几个开口变压器,扇形导磁片的作用是使开口变压器铁心接近闭合,减少磁阻,使信号线圈感应出较大
。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 5
(a) 结构原理图； (b) 剖面图第 10章 无刷直流电动机
10.2.2 光电式光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成,如图 10 - 6所示。 遮光盘上按要求开出光槽 (孔 ),几个光电耦合开关沿着圆周均布,每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管 (或激光器 )和光电管 (光电二极管,三极管或光电池 )所组成。 红外发光二极管 (或激光器 )通上电后,发出红外光 (或激光 )； 当遮光盘随着转轴转动时,光线依次通过光槽 (孔 ),使对着的光电管导通，
相应地产生反应转子相对定子位置的电信号,经放大后去控制功率晶体管,使相应的定子绕组切换电流。
第 10章 无刷直流电动机光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱,需要经过放大才能去控制功率晶体管 。 但它输出的是直流电信号,不必再进行整流,这是它的一个优点 。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 6 光电式位置传感器第 10章 无刷直流电动机图 10 - 7 霍尔无刷直流电动机原理图第 10章 无刷直流电动机
10.2.3 霍尔元件采用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机通常称为,霍尔无刷直流电动机,。 由于无刷直流电动机的转子是永磁的,就可以很方便地利用霍尔元件的,霍尔效应,检测转子的位置 。 图 10 - 7表示四相霍尔无刷直流电动机原理图 。 图中两个霍尔元件 H1和 H2
以间隔 90° 电角度粘于电机定子绕组 A和 B的轴线上,
并通上控制电流,电机转子磁钢兼作位置传感器的转子 。
第 10章 无刷直流电动机当电机转子旋转时磁钢 N极和 S极轮流通过霍尔元件 H1
和 H2,因而产生对应转子位置的两个正的和两个负的霍尔电势,经放大后去控制功率晶体管导通,使四个定子绕组轮流切换电流 。
霍尔无刷直流电动机结构简单,体积小,但安置和定位不便,元件片薄易碎,对环境及工作温度有一定要求,耐震差 。
第 10章 无刷直流电动机
10.3 无刷直流电动机工作原理
10.3.1 三相非桥式星形接法图 10 - 8表示一台采用非桥式晶体管开关电路驱动两极星形三相绕组,并带有电磁式位置传感器的无刷直流电动机 。 转子位置传感器的励磁线圈由高频振荡器供电,通过导磁片的作用使信号线圈获得较大的感应电压,并经整流,放大加到开关电路功率管的基极上使该管导通,因而与该管串联的定子绕组也就与外电源接通 。
第 10章 无刷直流电动机由于导磁片与电动机转子同轴旋转,所以信号线圈 Wa、
Wb,Wc依次得电,3 个功率管依次导通,使定子三相绕组轮流通电。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 8 无刷直流电动机工作原理第 10章 无刷直流电动机当电机转子处于图 10 - 8瞬时,位置传感器 PS的扇形导磁片位于图示位置处,它的信号线圈 Wa开始与励磁线圈相耦合,便有信号电压输出,其余两个信号线圈 Wb,Wc的信号电压为 0。 线圈 Wa供出的信号电压使晶体管 V1开始导通,而晶体管 V2,V3截止。 这样，
电枢绕组 AX有电流通过,电枢磁场 Ba的方向如图中所示。 电枢磁场与永磁转子磁场相互作用就产生转矩，
使转子按顺时针方向旋转。
第 10章 无刷直流电动机当电机转子在空间转过 2π/3电角度时,位置传感器的扇形片也转过同样角度,从而使信号线圈 Wb开始有信号电压输出,Wa,Wc的信号电压为 0。 Wb输出的信号电压便使晶体管 V2开始导通,晶体管 V1,V3截止。 这样,电枢绕组 BY有电流通过,电枢磁场 Ba的方向如图 10 - 9(a)所示。 电枢磁场 Ba与永磁转子磁场相互作用所产生的转矩,使转子继续沿顺时针方向旋转。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 9 电枢磁场与转子磁场间的相对位置第 10章 无刷直流电动机当转子在空间转过 4π/3电角度后,位置传感器使晶体管 V3开始导通,V1,V2截止,相应电枢绕组 CZ
有电流通过。 电枢磁场 Ba的方向如图 10 - 9(b)所示，它与转子磁场相互作用仍使转子按顺时针方向旋转。
若转子继续转过 2π/3电角度,回到原来的起始位置 (如图 10 - 9(c)),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,能产生转矩并使电机转子按一定的转向旋转 。
第 10章 无刷直流电动机若转子继续转过 2π/3电角度,回到原来的起始位置 (如图 10 - 9(c)),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,能产生转矩并使电机转子按一定的转向旋转 。 可以看出,在三相星形非桥式的无刷直流电动机中,当转子转过 2π电角度时,定子电枢绕组共有 3 个通电状态；
第 10章 无刷直流电动机每一状态仅有一相导通,定子电流所产生的电枢磁场在空间跳跃着转动,相应地在空间也有 3 个不同的位置,称为三个磁状态； 每一状态持续 2π/3电角度,这种通电方式称为一相导通星形三相三状态 。 每一晶体管导通时转子所转过的空间电角度称为导通角 αc。 显然,转子位置传感器的导磁扇形片张角 αp至少应该等于导通角 αc。 通常为了保证前后两个导通状态之间不出现间断,就需要有个短暂的重叠时间,必须使 αp略大于 αc。 电枢磁场在空间保持某一状态时转子所转过的空间电角度,即定子上前后出现的两个不同磁场轴线间所夹的电角度称为磁状态角,或称状态角,用 αm
来表示 。
第 10章 无刷直流电动机三相星形非桥式无刷直流电动机各相绕组与各晶体管导通顺序的关系如表 10 - 1所示。 可以看出,由于一个磁状态对应一相导通,所以角 αc和 αm都等于
2π/3。 当电机是 p对极时,位置传感器转子沿圆周应有 p个均布的导磁扇形片,每个扇形片张角 αp≥2π/(3p)。
第 10章 无刷直流电动机表 10 - 1 星形三相三状态导通顺序表第 10章 无刷直流电动机
10.3.2 三相星形桥式接法若定子绕组仍为三相,而功率晶体管接成桥式开关电路如图 10 - 10所示,相应的位置传感器原理图如图 10 - 11所示。 三相电枢绕组与各晶体管导通顺序的关系如表 10 - 2所示。 可以看出,电机应有 6 个通电状态,每一状态都是两相同时导通,每个晶体管导通角仍为 αc=2π/3,位置传感器扇形片张角 αp≥2π/(3p)。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 10 三相星形桥式开关电路第 10章 无刷直流电动机电枢合成磁场是由通电的两相磁场所合成。 若每相磁密在空间是正弦分布,用向量合成法可得合成磁密 Ba
的幅值等于每相磁密幅值的 倍,它在空间也相应有
6 个不同位置,磁状态角 αm=π/3。 三相星形桥式电路的通电方式称为 两相导通星形三相六状态 。
3
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 11 三相桥式电路的位置传感器第 10章 无刷直流电动机表 10 - 2 两相导通星形三相六状态导通顺序表第 10章 无刷直流电动机
10.3.3 三相封闭形桥式接法封闭式定子绕组只能与桥式晶体管开关电路相组合。 图 10 - 12表示三相封闭形 (三角形 )桥式接法的原理线路图。 三相电枢绕组与各晶体管导通顺序的关系如表 10 - 3所示,可以看出，它与星形接法的区别在于任何磁状态中电枢绕组全部通电,总是某两相绕组串联后再与另一相绕组并联。 在各状态中仅是各相通电顺序与电流流过的方向不同。
第 10章 无刷直流电动机电枢合成磁场是由通电的三相磁场所合成。 图 10 - 13
表示 B相绕组与 C相绕组串联再与 A相绕组并联,电流由 B相流向 C相 (符号为 A∥ BC)时的磁密向量图。 可见，
定子合成磁密 Ba的幅值等于每相磁密幅值的 1.5倍。 三相封闭形桥式接法也有 6 个通电状态，磁状态角
αm=π/3,导通角 αc=2π/3,位置传感器导磁扇形片张角
αp≥2π/(3p)。 这些都与三相星形桥式接法相同。 三相封闭形桥式电路的通电方式也称为封闭形三相六状态。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 12 三相封闭形桥式开关电路第 10章 无刷直流电动机图 10 - 13 对应 A∥ BC时电枢磁密向量图第 10章 无刷直流电动机表 10 – 3 封闭形三角六状态导通顺序表第 10章 无刷直流电动机当定子绕组的相数不同,晶体管开关电路也不同时,其定子绕组与各晶体管导通的关系也就不一样,
并使定子各相绕组的导通情况相应改变,电枢磁势的磁状态角亦不同 。 表 10 - 4列出了与几种常用的定子绕组连接方式相对应的 αc,αm,αp值,以及空载转速,
平均电磁转矩,平均电流的计算公式 。
第 10章 无刷直流电动机表 10 - 4 主要特性的计算公式第 10章 无刷直流电动机第 10章 无刷直流电动机
10.4 无刷直流电动机的运行特性
10.4.1 电枢电流以三相非桥式星形接法两极电机为例,分析无刷直流电动机的运行特性 。 按上节所述的工作原理,该种接法时的 αc=αm=2π/3。 为了便于分析,特作如下基本假设：
(1) 转子磁钢产生的磁场在气隙中沿圆周按正余弦分布；
(2) 忽略电枢绕组的电感,电枢电流可以突变；
第 10章 无刷直流电动机
(3) 忽略过渡导通状态和开关动作的过渡过程,认为每相电流是瞬时产生和切除 。 无刷直流电动机 A相电压平衡方程式为
(10 - 1) Ua=ea+iaRa+ΔUT
式中,Ua为电源电压； ea为电枢绕组感应电势；
ia为电枢电流； Ra为电枢绕组平均电阻； ΔUT为功率晶体管饱和管压降 。
第 10章 无刷直流电动机绕组感应电势
tEe ma?s in? (10 - 2)
感应电势最大值
Am fWE 2?
(10 - 3)
式中,WA为电枢绕组每相有效匝数； Φ为每极气隙磁通； 频率
60
pnf? (10 - 4)
第 10章 无刷直流电动机将式 (10 - 2)代入式 (10 - 1),可得电枢电流
)s i n(1 tEUURi mTa
a
a
(10 - 5)
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 14 电枢绕组感应电势波形第 10章 无刷直流电动机图 10 - 15 电枢电流波形第 10章 无刷直流电动机其波形如图 10 - 15所示。 导通时间内电枢电流平均值
a
m
a
Ta
mTa
a
a
R
E
R
UU
tdtEUU
R
I
827.0
)s i n(
1
3/2
1
6
5
6
(10 - 6)
当转速 n=0时,Em=0,所以堵转电流
a
Ta
d R
UUI
(10 - 7)
第 10章 无刷直流电动机
10.4.2 电磁转矩电机的电磁转矩
aa
e
ietT?)( (10 - 8)
式中,Ω为电机角速度，
p
f 2? (10 - 9)
第 10章 无刷直流电动机将式 (10 - 2)及 (10 - 5)代入式 (10 - 8),可得电磁转矩
)s i n(s i n)( tEUUR tEtT mTa
a
m
e
将式 (10 - 3)及 (10 - 9)代入,可得
ttEUURpWtT mTa
a
A
e
s i n)s i n()( (10 - 10)
第 10章 无刷直流电动机由式 (10 - 10)可以看出,在一个磁状态即在一相导通区间内,由于电势的脉动使转矩产生了波动,转矩的波动会使电机产生噪音和运转不稳定,所以一般都希望转矩波动小。 由图 10 - 14可以看出,减小磁状态角 αm可以减小电势的脉动,因而也就减小了转矩波动。
对于 m相电机磁状态角 αm=2π/m,因而增加相数可以减小 αm,但电机结构和电子线路就要复杂。
第 10章 无刷直流电动机平均电磁转矩
](]48.1)(3[
2
4 7 8.0
)(s i n)s i n(
2
3
)()(
3/2
1
6
5
6
6
5
6
mNEUU
R
pW
ttdtEUU
R
pW
tdtTT
mTa
a
A
mTa
a
A
e
(10 - 11)
转速 n=0,Em=0,因而平均堵转转矩
a
Ta
Ad R
UUpWT 8 2 7.0 (10 - 12)
第 10章 无刷直流电动机
10.4.3 转速将式 (10 - 3)和 (10 - 4)代入式 (10 - 6),可得转速
m i n )/(55.11 rpW RIUUn
A
aaTa
(10 - 13)
令 Ia=0,可得理想空载转速
m i n )/(55.110 rpW UUn
A
Ta
(10 - 14)
第 10章 无刷直流电动机
10.4.4 系数 Ke和 KT计算公式的推导与一般直流电动机一样,在实际使用时,经常需要引用系数 Ke和 KT来分析无刷直流电动机的特性,现推导这两个系数的计算公式：
1,电势系数 Ke
电势系数 Ke是当电动机单位转速时在电枢绕组中所产生的感应电势平均值。 (10 - 6) 可以看出感应电势平均值
Ea=0.827Em
第 10章 无刷直流电动机因而由式 (10 - 3)及 (10 - 4)可得电势系数
21066.860
28 27.0
A
A
a
e pWn
Wpn
n
EK (10 - 15)
式中,Φ单位为 Wb； Ke单位为 V/(r·min-1 )。
第 10章 无刷直流电动机
2,转矩系数 KT
转矩系数 KT是当电动机电枢绕组中通入单位电流时电动机所产生的平均电磁转矩值 。 由式 (10 - 6)和 (10 - 11)
可得转矩系数
A
a
T pWI
TK 8 2 7.0
(N·m/A) (10 - 16)
第 10章 无刷直流电动机
10.4.5 机械特性及调节特性反映无刷直流电动机稳态特性的 4 个基本公式是电压平衡方程式 Ua=Ea+IaRa+ΔUT
感应电势公式 Ea=Ken
转矩平衡方程式 T=T0+T2
电磁转矩公式 T=KTIa
(10 - 17)
第 10章 无刷直流电动机由式 (10 - 17)可以看出,无刷直流电动机基本公式与一般直流电动机基本公式在形式上完全一样,差别只是式中各物理量和系数的计算式不同,另外,电源电压 Ua变成了 Ua-ΔUT,因此无刷直流电动机的机械特性和调节特性形状应与一般直流电动机相同,如图 10
- 16和图 10 - 17所示。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 16 机械特性曲线第 10章 无刷直流电动机图 10 - 17 调节特性曲线第 10章 无刷直流电动机图 10 - 16所示的机械特性曲线产生弯曲现象是由于当转矩较大,转速较低时流过晶体管和电枢绕组的电流很大,这时,晶体管管压降 ΔUT随着电流增大而增加较快,使加在电枢绕组上的电压不恒定而有所减小,
因而特性曲线偏离直线变化,向下弯曲 。 图中 n0,Td
可分别由式 (10 - 14)和 (10 - 12)计算 。
由式 (10 - 11)和 (10 - 13)可分别求得调节特性中的始动电压 Ua0 和斜率 K：
A
T
A
a
T
A
a
a
pW
K
U
pW
TR
U
pW
TR
U
55.11
21.1
33
2
0
第 10章 无刷直流电动机也可仿照一般直流电动机,表达为
e
T
T
a
a
K
K
U
K
TR
U
1
0
无刷直流电动机与一般直流电动机一样具有良好的伺服控制性能,可以通过改变电源电压实现无级调速 。
第 10章 无刷直流电动机
10.4.6 其它绕组接法时的运行特性上面分析了较简单的三相非桥式星形接法时无刷直流电动机的运行特性 。 当采用其它各种接法时,电机的 4 个基本关系式和特性曲线形状不变,只是关系式中各物理量和电势,转矩系数有不同的表达式 。 这些表达式可以采用与上面相同的分析方法求得 。
10 - 4和表 10 - 5列出了常用的几种电枢绕组连接方式的有关计算式,可供使用时参考 。
第 10章 无刷直流电动机表 10 - 5 系数 Ka,KT和电枢反应直轴分量最大值 Fadm 的计算公式第 10章 无刷直流电动机
10.5 无刷直流电动机的电枢反应电机负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应 。
无刷直流电动机的电枢反应与电枢绕组连接和通电方式有关 。 下面仍以三相非桥式晶体管开关电路供电的两极三相无刷电动机为例来分析其电枢反应的特点 。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 18 无刷直流电动机的电枢反应第 10章 无刷直流电动机图 10 - 18为定子 A相绕组的通电状态,电枢磁势
Fa的空间位置为 A相绕组的轴线方向,并保持不变。
磁状态角 αm=2π/3。 图中 1和 2为磁状态角所对应的边界。
电枢磁势 Fa可分成直轴分量 Fad 和交轴分量 Faq,当转子磁极轴线处于位置 1时,直轴分量磁势 Fad 对转子有最强的去磁作用； 而当转子磁极轴线处于位置 2时，
磁势 Fad 对转子又有最强的增磁作用。 因此,电枢磁势的直轴分量开始是去磁的,然后是增磁的,数值上等于电枢磁势 Fa在转子磁极轴线上的投影,其最大值为第 10章 无刷直流电动机实际计算时,应根据电动机可能遇到的情况 (如启动,
反转等 )所产生的最大值考虑 。
在无刷直流电动机中,由于磁状态角 αm比较大,
电枢磁势的直轴分量就可能达到相当大的数值,为了避免使永磁转子失磁,在设计中必须予以注意 。 表 10
- 5列出了常用的几种电枢绕组联接方式的直轴电枢反应最大值计算式 。
2
s i n maadm FF
(10 - 18)
第 10章 无刷直流电动机当转子磁极轴线位于 αm/2位置处,电枢磁场与转子磁场正交,电枢磁势 Fa为交轴磁势,在无刷直流电动机中,由于转子磁钢的磁阻很大,因此由电枢磁势交轴分量 Faq 所引起的气隙磁场波形的畸变就显得较小，
一般可以不计。
第 10章 无刷直流电动机
10.6 改变无刷直流电动机转向的方法
10.6.1 改接位置传感器的输出电压信号这种方法是基于改变励磁磁场极性实现改变电机转向的原理 。 图 10 - 19(a)和 (b)分别表示电枢绕组 A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,因而电枢磁场 BA的方向不变 。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 19 正反转时定转子磁场相对位置第 10章 无刷直流电动机正转时在 A相绕组导通时间内,转子磁极轴线在角 π/6
与 5π/6(1与 2)范围内,平均值为 π/2,上半圆转子极性为 N,下半圆为 S,定转子磁场相互作用产生的转矩是顺时针方向,定子绕组通电顺序是 A→B→C ； 反转时转子磁极轴线应处在角 -π/6与 -5π/6(1′与 2′)范围内，
平均值为 -π/2,上半圆转子极性为 S,下半圆为 N,这样电磁转矩变为依逆时针方向,电机就反转,定子绕组通电顺序变为 A→C→B 。 所以当一相导通时,只要将相应的转子轴线平均位置改变 π电角度,电机就可反转。
第 10章 无刷直流电动机为了达到上述要求,电动机上应装有两套空间相隔 π电角度的位置传感器 Wa,Wb,Wc及 W′a,W′b、
W′c,如图 10 - 20所示。 图中,Wa,Wb,Wc这套传感器输出信号供电机正转时使用。 W′a,W′b,W′c这套传感器输出信号供电机反转时使用。 当转子带动扇形片转动时,这两套传感器输出信号对应地相隔 π电角度。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 20 正反转所需的两套位置传感器第 10章 无刷直流电动机图 10 - 21 改变电流后定转子磁场相对位置第 10章 无刷直流电动机图 10 - 22 用于正反转的倒向线路第 10章 无刷直流电动机
10.6.2 变换电枢电流方向与一般有刷直流电动机一样,也可以通过改变一相导通时的电流方向来改变电机转向 。 图 10 - 21表示
A相电流方向改变,电机作反转时定,转子磁场间的相对位置 。 可以看出,这时电枢磁场方向改变了,但转子轴线的位置仍在角 π/6~5π/6范围内,因此传感器输出信号可不改变 。 为了能使电枢绕组电流方向改变,
除了改变直流电源的极性外,尚需在开关电路中每相接入由两个晶体管元件组成的倒向线路,如图 10 -
22(a)所示 。
第 10章 无刷直流电动机它们分别使定子绕组中通过正向 (实线箭头 )和反向 (虚线箭头 )电流,使电机产生不同转向的转矩,达到正,反向旋转的目的。 图 10 - 22(b)是采用的另一种特殊电路,每相只需一个晶体管,同样可使定子绕组电流改变方向。
第 10章 无刷直流电动机思考题与习题
1,将无刷直流电动机与永磁式同步电动机及直流电动机作比较,分析它们之间有哪些相同和不同点 。
2,位置传感器的作用如何? 改变每相开始导通的位置角及导通角 αc,对电机性能会产生怎样的影响?
第 10章 无刷直流电动机
3,电机是多对极时,位置传感器应作怎样的设计?
4,无刷直流电动机能否采用一个电枢绕组,为什么?
5,无刷直流电动机能否用于交流电源供电?
6,如何使电机制动,倒转和调速?
7,请分别推导星形及封闭形三相六状态时的 n0,T、
Ia的计算式,列出推导过程,并将推导结果与表 10 - 4所列各式作一比较 。
10.1 概述
10.2 无刷直流电动机的基本结构
10.3 无刷直流电动机工作原理
10.4 无刷直流电动机的运行特性
10.5 无刷直流电动机的电枢反应
10.6 改变无刷直流电动机转向的方法思考题与习题第 10章 无刷直流电动机
10.1 概 述直流电动机主要优点是调速和启动特性好,堵转转矩大,因而被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中 。 但是,直流电动机都有电刷和换向器,其间形成的滑动机械接触严重地影响了电机的精度,性能和可靠性,所产生的火花会引起无线电干扰,缩短电机寿命,换向器电刷装置又使直流电机结构复杂,噪音大,
维护困难,因此长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机 。
第 10章 无刷直流电动机随着电子技术的迅速发展,各种大功率电子器件的广泛采用,这种愿望已被逐步实现 。 本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器,使这种电机既具有直流电动机的特性,
又具有交流电动机结构简单,运行可靠,维护方便等优点； 它的转速不再受机械换向的限制,若采用高速轴承,还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行 。
第 10章 无刷直流电动机因此,无刷直流电动机用途非常广泛,可作为一般直流电动机,伺服电动机和力矩电动机等使用,尤其适用于高级电子设备,机器人,航空航天技术,数控装置,医疗化工等高新技术领域 。 无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体,把先进的电子技术应用于电机领域,这将促使电机技术更新,更快的发展 。
第 10章 无刷直流电动机无刷直流电动机是由电动机,转子位置传感器和电子开关线路三部分组成,它的原理框图如图 10 - 1所示 。 图中直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电,电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止,从而控制电动机的转动 。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 1 无刷直流电动机的原理框图第 10章 无刷直流电动机
10.2 无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机的基本结构如图 10 - 2所示 。 图中电动机结构与永磁式同步电动机相似,转子是由永磁材料制成一定极对数的永磁体,但不带鼠笼绕组或其它启动装置,主要有两种结构型式,如图 10 - 3(a)和
(b)所示 。 第一种结构是转子铁心外表面粘贴瓦片形磁钢,称为凸极式； 第二种结构是磁钢插入转子铁心的沟槽中,称为内嵌式或隐极式 。
第 10章 无刷直流电动机初期永磁材料多采用铁氧体或铝镍钴,现在已逐步采用高性能钐钴或钕铁硼 。 定子是电动机的电枢 。 定子铁心中安放着对称的多相绕组,可接成星形或封闭形
(角形 ),各相绕组分别与电子开关线路中的相应晶体管相连接 。 电子开关线路有桥式和非桥式两种 。 图 10
- 4表示常用的几种电枢绕组连接方式,其中图 (a),(b)
是非桥式开关电路,其它是桥式开关电路 。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 2 无刷直流电动机的基本结构第 10章 无刷直流电动机图 10 - 3 永磁转子结构型式第 10章 无刷直流电动机图 10 - 4 电枢绕组连接方式第 10章 无刷直流电动机
10.2.1 电磁式这种传感器的结构如图 10 - 5所示 。 它由定子和转子两部分组成 。 定子磁心及转子上的扇形部分均由高频导磁材料 (如软磁铁氧体 )制成,导磁扇形片数等于电机极对数,放置在不导磁的铝合金圆盘上制成了转子 。 传感器定子由磁心和线圈组成,磁心的结构特点是中间为圆柱体,安放励磁绕组,外施高频电源励磁 。
圆周上沿轴向有凸出的极,极上套着信号线圈产生信号电压 。 可以看出,这实际上是一个有共同励磁线圈的几个开口变压器,扇形导磁片的作用是使开口变压器铁心接近闭合,减少磁阻,使信号线圈感应出较大
。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 5
(a) 结构原理图； (b) 剖面图第 10章 无刷直流电动机
10.2.2 光电式光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成,如图 10 - 6所示。 遮光盘上按要求开出光槽 (孔 ),几个光电耦合开关沿着圆周均布,每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管 (或激光器 )和光电管 (光电二极管,三极管或光电池 )所组成。 红外发光二极管 (或激光器 )通上电后,发出红外光 (或激光 )； 当遮光盘随着转轴转动时,光线依次通过光槽 (孔 ),使对着的光电管导通，
相应地产生反应转子相对定子位置的电信号,经放大后去控制功率晶体管,使相应的定子绕组切换电流。
第 10章 无刷直流电动机光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱,需要经过放大才能去控制功率晶体管 。 但它输出的是直流电信号,不必再进行整流,这是它的一个优点 。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 6 光电式位置传感器第 10章 无刷直流电动机图 10 - 7 霍尔无刷直流电动机原理图第 10章 无刷直流电动机
10.2.3 霍尔元件采用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机通常称为,霍尔无刷直流电动机,。 由于无刷直流电动机的转子是永磁的,就可以很方便地利用霍尔元件的,霍尔效应,检测转子的位置 。 图 10 - 7表示四相霍尔无刷直流电动机原理图 。 图中两个霍尔元件 H1和 H2
以间隔 90° 电角度粘于电机定子绕组 A和 B的轴线上,
并通上控制电流,电机转子磁钢兼作位置传感器的转子 。
第 10章 无刷直流电动机当电机转子旋转时磁钢 N极和 S极轮流通过霍尔元件 H1
和 H2,因而产生对应转子位置的两个正的和两个负的霍尔电势,经放大后去控制功率晶体管导通,使四个定子绕组轮流切换电流 。
霍尔无刷直流电动机结构简单,体积小,但安置和定位不便,元件片薄易碎,对环境及工作温度有一定要求,耐震差 。
第 10章 无刷直流电动机
10.3 无刷直流电动机工作原理
10.3.1 三相非桥式星形接法图 10 - 8表示一台采用非桥式晶体管开关电路驱动两极星形三相绕组,并带有电磁式位置传感器的无刷直流电动机 。 转子位置传感器的励磁线圈由高频振荡器供电,通过导磁片的作用使信号线圈获得较大的感应电压,并经整流,放大加到开关电路功率管的基极上使该管导通,因而与该管串联的定子绕组也就与外电源接通 。
第 10章 无刷直流电动机由于导磁片与电动机转子同轴旋转,所以信号线圈 Wa、
Wb,Wc依次得电,3 个功率管依次导通,使定子三相绕组轮流通电。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 8 无刷直流电动机工作原理第 10章 无刷直流电动机当电机转子处于图 10 - 8瞬时,位置传感器 PS的扇形导磁片位于图示位置处,它的信号线圈 Wa开始与励磁线圈相耦合,便有信号电压输出,其余两个信号线圈 Wb,Wc的信号电压为 0。 线圈 Wa供出的信号电压使晶体管 V1开始导通,而晶体管 V2,V3截止。 这样，
电枢绕组 AX有电流通过,电枢磁场 Ba的方向如图中所示。 电枢磁场与永磁转子磁场相互作用就产生转矩，
使转子按顺时针方向旋转。
第 10章 无刷直流电动机当电机转子在空间转过 2π/3电角度时,位置传感器的扇形片也转过同样角度,从而使信号线圈 Wb开始有信号电压输出,Wa,Wc的信号电压为 0。 Wb输出的信号电压便使晶体管 V2开始导通,晶体管 V1,V3截止。 这样,电枢绕组 BY有电流通过,电枢磁场 Ba的方向如图 10 - 9(a)所示。 电枢磁场 Ba与永磁转子磁场相互作用所产生的转矩,使转子继续沿顺时针方向旋转。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 9 电枢磁场与转子磁场间的相对位置第 10章 无刷直流电动机当转子在空间转过 4π/3电角度后,位置传感器使晶体管 V3开始导通,V1,V2截止,相应电枢绕组 CZ
有电流通过。 电枢磁场 Ba的方向如图 10 - 9(b)所示，它与转子磁场相互作用仍使转子按顺时针方向旋转。
若转子继续转过 2π/3电角度,回到原来的起始位置 (如图 10 - 9(c)),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,能产生转矩并使电机转子按一定的转向旋转 。
第 10章 无刷直流电动机若转子继续转过 2π/3电角度,回到原来的起始位置 (如图 10 - 9(c)),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,能产生转矩并使电机转子按一定的转向旋转 。 可以看出,在三相星形非桥式的无刷直流电动机中,当转子转过 2π电角度时,定子电枢绕组共有 3 个通电状态；
第 10章 无刷直流电动机每一状态仅有一相导通,定子电流所产生的电枢磁场在空间跳跃着转动,相应地在空间也有 3 个不同的位置,称为三个磁状态； 每一状态持续 2π/3电角度,这种通电方式称为一相导通星形三相三状态 。 每一晶体管导通时转子所转过的空间电角度称为导通角 αc。 显然,转子位置传感器的导磁扇形片张角 αp至少应该等于导通角 αc。 通常为了保证前后两个导通状态之间不出现间断,就需要有个短暂的重叠时间,必须使 αp略大于 αc。 电枢磁场在空间保持某一状态时转子所转过的空间电角度,即定子上前后出现的两个不同磁场轴线间所夹的电角度称为磁状态角,或称状态角,用 αm
来表示 。
第 10章 无刷直流电动机三相星形非桥式无刷直流电动机各相绕组与各晶体管导通顺序的关系如表 10 - 1所示。 可以看出,由于一个磁状态对应一相导通,所以角 αc和 αm都等于
2π/3。 当电机是 p对极时,位置传感器转子沿圆周应有 p个均布的导磁扇形片,每个扇形片张角 αp≥2π/(3p)。
第 10章 无刷直流电动机表 10 - 1 星形三相三状态导通顺序表第 10章 无刷直流电动机
10.3.2 三相星形桥式接法若定子绕组仍为三相,而功率晶体管接成桥式开关电路如图 10 - 10所示,相应的位置传感器原理图如图 10 - 11所示。 三相电枢绕组与各晶体管导通顺序的关系如表 10 - 2所示。 可以看出,电机应有 6 个通电状态,每一状态都是两相同时导通,每个晶体管导通角仍为 αc=2π/3,位置传感器扇形片张角 αp≥2π/(3p)。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 10 三相星形桥式开关电路第 10章 无刷直流电动机电枢合成磁场是由通电的两相磁场所合成。 若每相磁密在空间是正弦分布,用向量合成法可得合成磁密 Ba
的幅值等于每相磁密幅值的 倍,它在空间也相应有
6 个不同位置,磁状态角 αm=π/3。 三相星形桥式电路的通电方式称为 两相导通星形三相六状态 。
3
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 11 三相桥式电路的位置传感器第 10章 无刷直流电动机表 10 - 2 两相导通星形三相六状态导通顺序表第 10章 无刷直流电动机
10.3.3 三相封闭形桥式接法封闭式定子绕组只能与桥式晶体管开关电路相组合。 图 10 - 12表示三相封闭形 (三角形 )桥式接法的原理线路图。 三相电枢绕组与各晶体管导通顺序的关系如表 10 - 3所示,可以看出，它与星形接法的区别在于任何磁状态中电枢绕组全部通电,总是某两相绕组串联后再与另一相绕组并联。 在各状态中仅是各相通电顺序与电流流过的方向不同。
第 10章 无刷直流电动机电枢合成磁场是由通电的三相磁场所合成。 图 10 - 13
表示 B相绕组与 C相绕组串联再与 A相绕组并联,电流由 B相流向 C相 (符号为 A∥ BC)时的磁密向量图。 可见，
定子合成磁密 Ba的幅值等于每相磁密幅值的 1.5倍。 三相封闭形桥式接法也有 6 个通电状态，磁状态角
αm=π/3,导通角 αc=2π/3,位置传感器导磁扇形片张角
αp≥2π/(3p)。 这些都与三相星形桥式接法相同。 三相封闭形桥式电路的通电方式也称为封闭形三相六状态。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 12 三相封闭形桥式开关电路第 10章 无刷直流电动机图 10 - 13 对应 A∥ BC时电枢磁密向量图第 10章 无刷直流电动机表 10 – 3 封闭形三角六状态导通顺序表第 10章 无刷直流电动机当定子绕组的相数不同,晶体管开关电路也不同时,其定子绕组与各晶体管导通的关系也就不一样,
并使定子各相绕组的导通情况相应改变,电枢磁势的磁状态角亦不同 。 表 10 - 4列出了与几种常用的定子绕组连接方式相对应的 αc,αm,αp值,以及空载转速,
平均电磁转矩,平均电流的计算公式 。
第 10章 无刷直流电动机表 10 - 4 主要特性的计算公式第 10章 无刷直流电动机第 10章 无刷直流电动机
10.4 无刷直流电动机的运行特性
10.4.1 电枢电流以三相非桥式星形接法两极电机为例,分析无刷直流电动机的运行特性 。 按上节所述的工作原理,该种接法时的 αc=αm=2π/3。 为了便于分析,特作如下基本假设：
(1) 转子磁钢产生的磁场在气隙中沿圆周按正余弦分布；
(2) 忽略电枢绕组的电感,电枢电流可以突变；
第 10章 无刷直流电动机
(3) 忽略过渡导通状态和开关动作的过渡过程,认为每相电流是瞬时产生和切除 。 无刷直流电动机 A相电压平衡方程式为
(10 - 1) Ua=ea+iaRa+ΔUT
式中,Ua为电源电压； ea为电枢绕组感应电势；
ia为电枢电流； Ra为电枢绕组平均电阻； ΔUT为功率晶体管饱和管压降 。
第 10章 无刷直流电动机绕组感应电势
tEe ma?s in? (10 - 2)
感应电势最大值
Am fWE 2?
(10 - 3)
式中,WA为电枢绕组每相有效匝数； Φ为每极气隙磁通； 频率
60
pnf? (10 - 4)
第 10章 无刷直流电动机将式 (10 - 2)代入式 (10 - 1),可得电枢电流
)s i n(1 tEUURi mTa
a
a
(10 - 5)
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 14 电枢绕组感应电势波形第 10章 无刷直流电动机图 10 - 15 电枢电流波形第 10章 无刷直流电动机其波形如图 10 - 15所示。 导通时间内电枢电流平均值
a
m
a
Ta
mTa
a
a
R
E
R
UU
tdtEUU
R
I
827.0
)s i n(
1
3/2
1
6
5
6
(10 - 6)
当转速 n=0时,Em=0,所以堵转电流
a
Ta
d R
UUI
(10 - 7)
第 10章 无刷直流电动机
10.4.2 电磁转矩电机的电磁转矩
aa
e
ietT?)( (10 - 8)
式中,Ω为电机角速度，
p
f 2? (10 - 9)
第 10章 无刷直流电动机将式 (10 - 2)及 (10 - 5)代入式 (10 - 8),可得电磁转矩
)s i n(s i n)( tEUUR tEtT mTa
a
m
e
将式 (10 - 3)及 (10 - 9)代入,可得
ttEUURpWtT mTa
a
A
e
s i n)s i n()( (10 - 10)
第 10章 无刷直流电动机由式 (10 - 10)可以看出,在一个磁状态即在一相导通区间内,由于电势的脉动使转矩产生了波动,转矩的波动会使电机产生噪音和运转不稳定,所以一般都希望转矩波动小。 由图 10 - 14可以看出,减小磁状态角 αm可以减小电势的脉动,因而也就减小了转矩波动。
对于 m相电机磁状态角 αm=2π/m,因而增加相数可以减小 αm,但电机结构和电子线路就要复杂。
第 10章 无刷直流电动机平均电磁转矩
](]48.1)(3[
2
4 7 8.0
)(s i n)s i n(
2
3
)()(
3/2
1
6
5
6
6
5
6
mNEUU
R
pW
ttdtEUU
R
pW
tdtTT
mTa
a
A
mTa
a
A
e
(10 - 11)
转速 n=0,Em=0,因而平均堵转转矩
a
Ta
Ad R
UUpWT 8 2 7.0 (10 - 12)
第 10章 无刷直流电动机
10.4.3 转速将式 (10 - 3)和 (10 - 4)代入式 (10 - 6),可得转速
m i n )/(55.11 rpW RIUUn
A
aaTa
(10 - 13)
令 Ia=0,可得理想空载转速
m i n )/(55.110 rpW UUn
A
Ta
(10 - 14)
第 10章 无刷直流电动机
10.4.4 系数 Ke和 KT计算公式的推导与一般直流电动机一样,在实际使用时,经常需要引用系数 Ke和 KT来分析无刷直流电动机的特性,现推导这两个系数的计算公式：
1,电势系数 Ke
电势系数 Ke是当电动机单位转速时在电枢绕组中所产生的感应电势平均值。 (10 - 6) 可以看出感应电势平均值
Ea=0.827Em
第 10章 无刷直流电动机因而由式 (10 - 3)及 (10 - 4)可得电势系数
21066.860
28 27.0
A
A
a
e pWn
Wpn
n
EK (10 - 15)
式中,Φ单位为 Wb； Ke单位为 V/(r·min-1 )。
第 10章 无刷直流电动机
2,转矩系数 KT
转矩系数 KT是当电动机电枢绕组中通入单位电流时电动机所产生的平均电磁转矩值 。 由式 (10 - 6)和 (10 - 11)
可得转矩系数
A
a
T pWI
TK 8 2 7.0
(N·m/A) (10 - 16)
第 10章 无刷直流电动机
10.4.5 机械特性及调节特性反映无刷直流电动机稳态特性的 4 个基本公式是电压平衡方程式 Ua=Ea+IaRa+ΔUT
感应电势公式 Ea=Ken
转矩平衡方程式 T=T0+T2
电磁转矩公式 T=KTIa
(10 - 17)
第 10章 无刷直流电动机由式 (10 - 17)可以看出,无刷直流电动机基本公式与一般直流电动机基本公式在形式上完全一样,差别只是式中各物理量和系数的计算式不同,另外,电源电压 Ua变成了 Ua-ΔUT,因此无刷直流电动机的机械特性和调节特性形状应与一般直流电动机相同,如图 10
- 16和图 10 - 17所示。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 16 机械特性曲线第 10章 无刷直流电动机图 10 - 17 调节特性曲线第 10章 无刷直流电动机图 10 - 16所示的机械特性曲线产生弯曲现象是由于当转矩较大,转速较低时流过晶体管和电枢绕组的电流很大,这时,晶体管管压降 ΔUT随着电流增大而增加较快,使加在电枢绕组上的电压不恒定而有所减小,
因而特性曲线偏离直线变化,向下弯曲 。 图中 n0,Td
可分别由式 (10 - 14)和 (10 - 12)计算 。
由式 (10 - 11)和 (10 - 13)可分别求得调节特性中的始动电压 Ua0 和斜率 K：
A
T
A
a
T
A
a
a
pW
K
U
pW
TR
U
pW
TR
U
55.11
21.1
33
2
0
第 10章 无刷直流电动机也可仿照一般直流电动机,表达为
e
T
T
a
a
K
K
U
K
TR
U
1
0
无刷直流电动机与一般直流电动机一样具有良好的伺服控制性能,可以通过改变电源电压实现无级调速 。
第 10章 无刷直流电动机
10.4.6 其它绕组接法时的运行特性上面分析了较简单的三相非桥式星形接法时无刷直流电动机的运行特性 。 当采用其它各种接法时,电机的 4 个基本关系式和特性曲线形状不变,只是关系式中各物理量和电势,转矩系数有不同的表达式 。 这些表达式可以采用与上面相同的分析方法求得 。
10 - 4和表 10 - 5列出了常用的几种电枢绕组连接方式的有关计算式,可供使用时参考 。
第 10章 无刷直流电动机表 10 - 5 系数 Ka,KT和电枢反应直轴分量最大值 Fadm 的计算公式第 10章 无刷直流电动机
10.5 无刷直流电动机的电枢反应电机负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应 。
无刷直流电动机的电枢反应与电枢绕组连接和通电方式有关 。 下面仍以三相非桥式晶体管开关电路供电的两极三相无刷电动机为例来分析其电枢反应的特点 。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 18 无刷直流电动机的电枢反应第 10章 无刷直流电动机图 10 - 18为定子 A相绕组的通电状态,电枢磁势
Fa的空间位置为 A相绕组的轴线方向,并保持不变。
磁状态角 αm=2π/3。 图中 1和 2为磁状态角所对应的边界。
电枢磁势 Fa可分成直轴分量 Fad 和交轴分量 Faq,当转子磁极轴线处于位置 1时,直轴分量磁势 Fad 对转子有最强的去磁作用； 而当转子磁极轴线处于位置 2时，
磁势 Fad 对转子又有最强的增磁作用。 因此,电枢磁势的直轴分量开始是去磁的,然后是增磁的,数值上等于电枢磁势 Fa在转子磁极轴线上的投影,其最大值为第 10章 无刷直流电动机实际计算时,应根据电动机可能遇到的情况 (如启动,
反转等 )所产生的最大值考虑 。
在无刷直流电动机中,由于磁状态角 αm比较大,
电枢磁势的直轴分量就可能达到相当大的数值,为了避免使永磁转子失磁,在设计中必须予以注意 。 表 10
- 5列出了常用的几种电枢绕组联接方式的直轴电枢反应最大值计算式 。
2
s i n maadm FF
(10 - 18)
第 10章 无刷直流电动机当转子磁极轴线位于 αm/2位置处,电枢磁场与转子磁场正交,电枢磁势 Fa为交轴磁势,在无刷直流电动机中,由于转子磁钢的磁阻很大,因此由电枢磁势交轴分量 Faq 所引起的气隙磁场波形的畸变就显得较小，
一般可以不计。
第 10章 无刷直流电动机
10.6 改变无刷直流电动机转向的方法
10.6.1 改接位置传感器的输出电压信号这种方法是基于改变励磁磁场极性实现改变电机转向的原理 。 图 10 - 19(a)和 (b)分别表示电枢绕组 A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,因而电枢磁场 BA的方向不变 。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 19 正反转时定转子磁场相对位置第 10章 无刷直流电动机正转时在 A相绕组导通时间内,转子磁极轴线在角 π/6
与 5π/6(1与 2)范围内,平均值为 π/2,上半圆转子极性为 N,下半圆为 S,定转子磁场相互作用产生的转矩是顺时针方向,定子绕组通电顺序是 A→B→C ； 反转时转子磁极轴线应处在角 -π/6与 -5π/6(1′与 2′)范围内，
平均值为 -π/2,上半圆转子极性为 S,下半圆为 N,这样电磁转矩变为依逆时针方向,电机就反转,定子绕组通电顺序变为 A→C→B 。 所以当一相导通时,只要将相应的转子轴线平均位置改变 π电角度,电机就可反转。
第 10章 无刷直流电动机为了达到上述要求,电动机上应装有两套空间相隔 π电角度的位置传感器 Wa,Wb,Wc及 W′a,W′b、
W′c,如图 10 - 20所示。 图中,Wa,Wb,Wc这套传感器输出信号供电机正转时使用。 W′a,W′b,W′c这套传感器输出信号供电机反转时使用。 当转子带动扇形片转动时,这两套传感器输出信号对应地相隔 π电角度。
第 10章 无刷直流电动机图 10 - 20 正反转所需的两套位置传感器第 10章 无刷直流电动机图 10 - 21 改变电流后定转子磁场相对位置第 10章 无刷直流电动机图 10 - 22 用于正反转的倒向线路第 10章 无刷直流电动机
10.6.2 变换电枢电流方向与一般有刷直流电动机一样,也可以通过改变一相导通时的电流方向来改变电机转向 。 图 10 - 21表示
A相电流方向改变,电机作反转时定,转子磁场间的相对位置 。 可以看出,这时电枢磁场方向改变了,但转子轴线的位置仍在角 π/6~5π/6范围内,因此传感器输出信号可不改变 。 为了能使电枢绕组电流方向改变,
除了改变直流电源的极性外,尚需在开关电路中每相接入由两个晶体管元件组成的倒向线路,如图 10 -
22(a)所示 。
第 10章 无刷直流电动机它们分别使定子绕组中通过正向 (实线箭头 )和反向 (虚线箭头 )电流,使电机产生不同转向的转矩,达到正,反向旋转的目的。 图 10 - 22(b)是采用的另一种特殊电路,每相只需一个晶体管,同样可使定子绕组电流改变方向。
第 10章 无刷直流电动机思考题与习题
1,将无刷直流电动机与永磁式同步电动机及直流电动机作比较,分析它们之间有哪些相同和不同点 。
2,位置传感器的作用如何? 改变每相开始导通的位置角及导通角 αc,对电机性能会产生怎样的影响?
第 10章 无刷直流电动机
3,电机是多对极时,位置传感器应作怎样的设计?
4,无刷直流电动机能否采用一个电枢绕组,为什么?
5,无刷直流电动机能否用于交流电源供电?
6,如何使电机制动,倒转和调速?
7,请分别推导星形及封闭形三相六状态时的 n0,T、
Ia的计算式,列出推导过程,并将推导结果与表 10 - 4所列各式作一比较 。
