无刷直流电机结构.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流无刷直流电机结构.精品文档.无刷直流电机结构、类型和基本原理一、概述直流电动机的主要长处是调速和启动特性好，堵转转矩大，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峻地影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰。缩短电动机寿命，换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难，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。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

2、替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特性。又具有交流电动机结构简朴、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要中运行。元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、更快地发展。二、无刷直流电动机的基本结构和类型(一)基本结构无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言可以认为是由电动机本体、转子位

3、置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。其基本结构如图5一20所示。电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机它包括主定子和主转子两部分，主定子上放置空间互差120。的三相对称电枢绕组Ax、BY、cz，接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成的一对磁极。转子位置传感器也由定子、转子两部分组成。定子安装在主电动机壳内，转子和主转子同轴旋转。它的作用是把主转子的位置检测出来变成电信号去控制电子开关电路，故也称转子位置检测器。电子开关电路中的功率开关元件分别与主定子上各相绕组相连接通过位置传感器输出的信号，控制三极管的导通和截止从而使主定子上各相绕组中的电流也随着转子位置的改变，按一定

4、的顺序进行切换，实现无接触式的换向。l.电机本体元刷直流电动机是将普通直流电动机的定予与转子进行了互换。其转子为永久磁铁，产气愤隙磁通：定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机类似。无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等)绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，由于磁极中磁性材料所放位置的不同可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。2转子位置传感器转子位

5、置传感器是无刷直流电动机的一个要害部件。可根据不同的原理构成如电磁感应式、光电式、磁敏式等多种不同的结构形式。其中，电磁感应式工作可靠，维护简便，寿命长所以应用较多。它决定着电枢各相绕组开始通电的时刻。它的作用相称于一般直流电动机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻(相位)相当于直流电动机中改变电刷在空间的位置，对无刷直流电动机的特性有很大的影响。位置传感器一般也由定子和转子两部分组成。转子是用来确定电动机本体磁极的位置，定子的安放是为了检测和输出转子的位置信号。传感器种类较多且各具特点。目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有以下几种形式。(1)电磁式位置传感器。是一种利用电磁效应来实现位

6、置测量的传感元件，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种形式，其中开_j变压器使用较多。电磁感应式转子位置传感器原理如图j 2l所示。其定子由原边线圈与副边线圈绕在同一铁芯组成，转子则由一个具有一定角度(近似电动机的导通角)的导磁捌料组成，该导磁材料可由铁氧体或硅钢片制成。在线圈的原边wl端输入高频激磁信号在副边线圈中感应出耦合转子铁芯与定子铁芯相对位置的输出信号，图中的wa经过电子线路处理，变成与电动机定子、转子位置相对应的电平信号，再经整形处理，就得到了电动机的换向信号。而没有耦合转子铁芯的定子线圈Wb、Wc均无信号输出。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不

7、高、适应性强、结构简单和紧凑等优点，但这种传感器信噪比较低体积较大而且其输出波形为交流，一般需经整流、滤波后方可使用，因而极大地限制了其在普通情况下的应用。(2)磁敏式位置传感器。磁敏传感器利用电流的磁效应进行工作，所组成的位置检测器由与电机同轴安装、具有与电机转子同极数的永磁检测转子和多只空问均匀分布的磁敏元件构成。目前常用的磁敏元件为霍尔元件或霍尔集成电路，它们在磁场作用下会产生霍尔电信息。势，经整形、放大后即可输出所需电平信号，构成了原始的位置信号。图5-22为霍尔集成电路及其开关型输出特性。为了获得三组互差120电角度、宽180度电角度的方波原始位置信号。需要3只在空间互差机械角度分布

8、霍尔元件，其中户为电机极对数。图5-23给出了一台四极电动机的霍尔位置检测器完整结构，3个霍尔元件Hl、H2、H3在空间互差60机械角度分布。当永磁检测转子依次经过霍尔元件时。根据极性的不同，产生出三相互差120电角度、宽180电角度的方波位置信号，它正好反映了同轴安装的电动机转子磁极的空间位置经整形电路和逻辑电路后，输出6路功率电子开关的触发信和逻辑电路号。霍尔位置检测器是永磁无刷直流电动机中采用较多的一种。 (3)光电式位置传感器和光电式位置传感元件的结构。这是一种利用与电动机转子同轴安装、带缺口旋转圆盘对光电元件进行通、断控制以产生一系列反映转子空间位置脉冲信号的检测方式。由于三相永磁元

9、刷直流电动机一般每l6周期换相一次，因此只要采用与电磁式或霍尔式位置检测相似的简单检测方法即可，不必采用光电编码盘的复杂方式。简单光电元件的结构如图5一24所示由红外发光二极管和光敏三极管构成。当元件凹槽内光芒被圆盘挡住时，光敏三极管不导通：当凹槽内光线由圆盘缺口放过时，光敏三极管导通以此输出开关型的位置信号。圆盘缺口弧度及光电元件空间布置规律和开口变压器式位置检测器相同。除了以上3种位置传感器外，还有正、余弦旋转变压器和光电编码器等其他位置传感元件，但成本高、体积大、线路复杂，较少采用。由于位置检测器有机械安装、维护及运行可靠性等问题因此近期来出现了元位置检测器。元位置传感器检测技术的成功运

10、用解决了位置传感器安装难的问题，而且减小了体积，提高了可靠性，受到了海内外的普遍关注。目前较为常用的方法有：反电动势检测法、续流二极管工作方式检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。必须注重：通过各种方法所得到的位置信号一般不能直接用来控制功率管的通断往往需要经过一定的逻辑处理后才能作用于逻辑控制单元。3电子换向电路无刷直流电动机的电子换相线路是用来控制电动机定子绕组通电的顺序和导通的时间。主要由功率开关管和逻辑控制电路组成功率开关单元是核心部分其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电动机定子E的各项绕组，从而使电动机产生持续不断的转矩。控制部分是将通过位置检测得到的信号根据

11、需要转化成相应的脉冲信号去驱动功率开关管。目前，无刷直流电动机的主开关一般采用IGBT或M0sFET等全控型器件，有些主电路已经有了集成功率模块(PIc)和智能功率模块(IPM)，它们的应用可以使整个系统的呵靠性大幅度提高。(=)无刷直流电动机的类型近年来出现的元刷直流电动机，用晶体管开关电路和位置传感器代替电刷和换向器。无刷直流电动机的类型按晶体管开关电路的不同可分为桥式和非桥式两种；按所使用的位置传感器形式的不同可分为光电式、电磁式、磁敏元件式和接近开关式等。 三、无刷直流电动机的基本工作原理在实际应用中，永磁无刷直流电动机多采用三相桥式功率主电路形式，但为了便于说明，先从三相半桥式主电路

12、开始分析其运行原理。1.三相半桥主电路图5-25为三相半桥式永磁无刷直流电机（P=1）三只光电式位置传感元件H1 H2 H3 空间互差120均匀分布，宽180缺口遮光圆盘与电动机转子同轴安装，调整圆盘缺口与转子磁极的相对位置，使缺口边沿能反映转子磁极的空间位置。该缺口位置使光电元件H1受光而输出高电平，触发导通功率开关VTl使直流电流流入A相绕组Ax，形成位于A相绕组轴线上的电枢磁势。此时圆盘缺口与转子磁极的相对位置被调整得使转子永相绕组平面磁势Ff位于B相绕组B-X平面上所示，如图526(a)所示两者相互作用产生驱动转矩，驱使转子顺时针旋转。当转子磁极转至图5 26(b)所示的位置时，如仍保

13、持A相绕组通电，则电枢磁势Ff的空间角度讲减为30并继承减小，最终造成驱动转矩消失。然而由于同轴安装的旋转圆盘同步旋转，此时正好使光电元件H2受光，H1遮光，从而功率开关VT2导通，电流从A相绕组断开转而流人B相绕组B-Y，电流换相，电枢磁势变为Fb它又在旋转方向上重新领先永磁磁势Ff150相，两者相互作用产生驱动转矩，驱使转子顺时针继续旋转。当转子磁极旋转到图526(c)所示的位置时，同理又发生电枢电流从B相向c相的换流，保证了电磁转矩的持续产生和电动机的继续旋转，直至重新回到图526(d)或图5-26(a)的起始位置。可以看出，由于同轴安装转子位置检测圆盘的作用，定子各相绕组在位置检测器的

14、控制下依次馈电，其相电流为120宽的矩形波，如图527所示。这样的三相电流使得定子绕组产生的电枢磁场和转动中的转子永磁磁场在空间始终能保持近似垂直的关系，为最大限度地产生转矩创造了条件。同时也可以看出经历换相过程的定子绕组电枢磁场不是匀速旋转磁场而是跳跃式的步进磁场，转子旋转一周的范围内有3种磁状态，每种状态持续13周期(120。电角度)如图5 26中FA、FB、Fc所示。可以想象，由此产生的电磁转矩存在很大的脉动尤其低速运行时会使转速波动。为了解决这个问题，只有增加转子一周内的磁状态数，此时应采用三相桥式主电路结构。2三相桥式主电路三相桥式主电路如图5一28所示，功率电子开关为标准三相桥式结

15、构，上桥臂元件VTl、 VT3、VT5给各相绕组提供正向电流，产生正向电磁转矩；下桥臂元件VT4、VT6、VT2 给各相绕组提供反向电流，在相同极性转子永磁磁场作用下将产生反向电磁转矩。功率元件通电方式有两两通(120。导通型)和三三通电(180。导通型)，其输出转矩大小不同。(1)两两通电方式。所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔16周期(60)电角度)换相一次，每次换相一个功率管，不同桥臂之间左右换相。每个功率管导通120电角度。功率管的导通顺序依次为：vTl、vT2；vT2、vT3；vT3、vT4；vT4VT5；VT5、VT6；VT6、VTl在这种通电方式下各导通120电角

16、度，每个相绕组又与两个开关元件相连，各相绕组会在正、反两个方向均流过120宽的方波电流，三相绕组中电流波形如图529所示。由于任一时刻均有一个上桥臂元件导通使某相绕组获得正向电流产生正转矩，又有一个下桥臂元件导通使另一相绕组获得反向电流产生负转矩，此时的合成转矩应是相关相绕组通电产生的正、负转矩的矢量和，如图530所示。可以看出，合成转矩是一相通电时所产生转矩的3倍，每经过一次换相合成转矩方向转过60电角度。一个输出周期内转矩要经历方向变换6次，从而使转矩脉动比三相半桥主电路时要平缓得多。(2)三三通电方式。所谓三三导通方式是指每一瞬间有3个功率管导通，每隔l6周期(60）电角度)换相一次每次

17、换相是同一桥臂的上下管之间换相每个功率管导通180电角度。功率管的导通顺序依次为：VTl、VT2、VT3；VT2、VT3、VT4；VT3、VT4、VT5；VT4、VT5、VT6；VT5、VT6、VTl；VT6、VTl、VT：可见这种方式运转一个周期，转子合成驱动转矩的图示与两两方式下是一致的，均为6种状态，不同的是此时的合成转矩的幅值是单相绕组转矩幅值的15倍，这是由于三相电流同时作用的结果，电动机在运行过程中的转矩矢量合成图如图5-31所示。虽然三相永磁无刷直流电动机是应用最广泛的一种，但人们从减少转矩的脉动、扩大单机容量等角度出发，开发出了多相电动机，如四相、五相，甚至十相、十二相电动机。

18、为了提高电动机绕组的利用率，应采用多相同时通电运行的方式。无刷直流电动机的转矩脉动2009年10月13日无刷直流电动机的转矩脉动 无刷直流电动机输出转矩大，动态响应迅速，调速控制方便可靠性高，因此它的应用越来越广泛。但是，无刷直流电动机固有的转矩脉动问题却一直限制着其在高精度系统中的应用。对于高精度系统转矩脉动是衡量无刷直流电动机性能的一项重要指标。因此，分析转矩脉动形成的原因研究消除或抑制转矩脉动的方法具有十分重要的意义。 造成无刷直流电动机转矩脉动的原因很多，主要可以分为以下五个方面： 1电磁因素引起的转矩脉动 这是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动它与电流波形、感应电动势波形

19、、气隙磁通密度的分布有着直接关系。理想情况下，定子电流为方波，感应电动势为梯形波，平顶宽度为120电角度，电磁转矩为恒值。而实际电机中由于设计和制造方面的原因很难保持感应电动势为梯形波，或者平顶宽度不是120电角度：或者由于转子位置检测和控制系统精度不够而造成感应电动势与电流不能保持严格同步；或者电流波形偏离方波，只能近似地按梯形波变化等。这些因素的存在都会导致电磁转矩脉动的产生。抑制电磁因素引起的转矩脉动的方法有优化设计法、最佳开通角法、谐波消去法、转矩反馈法等。 (1)优化设计法。对于无刷直流电动机，磁极形状、极弧宽度、极弧边缘形状对输出电磁转矩都有很大的影啊。当气隙磁通密度呈方波分布时，

20、即感应电动势波形为理想的梯形波时，极弧宽度增加则电磁转矩增加，转矩脉动减小；当极弧宽度达到时，电机功率最大，转矩脉动为零。据此，可以通过选择合理的无电磁转矩脉动的电机磁极和极弧的设计方案，改变磁极形状，或增加极弧宽度来有效消除电磁转矩脉动。 (2)最佳开通角法。通过电机优化设计可以消除电磁转矩脉动，但也有不足之处，例如：由于电机绕组的电感限制，即使电机采用恒流源供电在换流过程中电流不能突变，流入定子绕组的电流波形也不可能是矩形波；另外对于实际电机，气隙磁场很难保持理想的方波分布，绕组感应电动势波形也并非理想的矩形，这样就无法实现完全从硬件设计上消除电磁转矩脉动。因此只能通过控制手段和策略来抑制

21、转矩脉动。如采用最佳开通角的方法抑制电磁转矩脉动，即先推导出转矩脉动与开通角之间的函数关系式，再求取电流最优开通角，使电流波形和感应电动势波形的配合适当从而达到削弱转矩脉动的目的。 (3)谐波消去法。由于无刷直流电机定子电流和转子磁场的非正弦，使得其相互作用产生的电磁转矩含有谐波分量，造成了转矩的脉动。电磁转矩脉动是由相电流和感应电动势相互作用而形成的。可以考虑通过控制电流的谐波成分来消除由此产生的转矩脉动。因为，在理想条件下，无刷直流电动机同频率的磁链谐波与电流谐波(三次谐波除外)相互作用可以产生恒定的转矩，不同次谐波之间是不会产生转矩的。当然，在实际情况下，由于电机的电感限制了电流的变化率

22、，使得输入定子绕组的电流不可能是矩形波而往往是梯形波。而且，磁链波形的平顶宽度也会小于理想时的120电角度使得不同次数的磁链谐波与电流谐波之间也产生了一定的谐波转矩。所以，确定最佳谐波电流的难度是很大的，这也使得谐波消去法的应用受到了限制。 (4)转矩反馈法。谐波消去法是一种开环控制方法，当存在绕组阻抗不对称和所测电流有误差等于扰时，控制精度将会受到影响。为了克服开环控制方法的缺点,人们提出了从反馈角度考虑抑制转矩脉动的方法，即以转矩为控制对象，进行闭环控制。转矩反馈法的基本原理就是根据位置和电流信号通过转矩观测器得到转矩反馈信号再通过转矩控制器反馈给无刷直流电动机的主电路，实现对转矩的实时控

23、制，从而消除转矩脉动。但是，转矩反馈法结构较为繁杂，需预先确定电机参数且算法复杂实现起来比较困难。 2电流换向引起的转矩脉动 无刷直流电动机工作时定子绕组按一定顺序换流。由于各相绕组存在电感阻碍电流的瞬时变化每经过一个磁状态，电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相时将引起电磁转矩的脉动。抑制由电流换向引起的转矩脉动的方法有电流反馈法、滞环电流法、重叠换向法、脉宽调制(PwM)斩波法等。 (1)电流反馈法。这种方法就是使非换向相电流保持恒定从而使换向转矩脉动为零，因为非换向相电流的存在会导致一定的转矩脉动。一般来说，电流反馈控制可以分为两种形式，即直流侧电流反馈控制和交流侧电流反馈控制。直流侧电流

24、反馈控制的电流反馈信号由直流侧取出，主要控制电流幅值。由于直流侧电流反馈控制是根据流过直流电源的电流信号进行的，因此只需要一个电流传感器便可得到电流反馈信号。交流侧电流反馈控制的电流反馈信号由交流侧取出此时，根据转子的位置来确定要控制的相电流，使其跟随给定。在换向过程中，当非换向电流未到达给定值时，PwM控制不起作用；当非换向电流超过设定值时-PwM控制开始起作用关断所有开关器件使电流值下降，直至低于设定值再闭合被关断的开关器件，使其值上升，依此往复，即可实现非换向相电流的调节直至换向完成。 (2)滞环电流法。在常用的电流控制方法中，除了上述方法外，还有滞环电流控制法。其基本原理是。在电流环中

25、，采用滞环电流调节器(Hysresis current Regulator，HcR)，通过比较参考电流和实际电流，使得换向时能够给出适合的触发信号。实际电流的幅值和滞环宽度的大小决定了HcR控制信号的输出。当实际电流小于滞环宽度的下限时，开关器件导通；随着电流的上升，达到滞环宽度的上限时，开关器件关断，使电流下降。实际电流可以是相电流，也可以是逆变器的输入电流。滞环电流法的特点是：应用简单，快速性好，具有限流能力。滞环电流控制方法可分为三种情况：由上升相电流控制的HCR由非换向电流控制的HcR和由三相相电流独立控制的HcR。比较用这三种方法抑制换向转矩脉动效果的实验证明：后两种情况的换向转矩特

26、性相同对换向转矩脉动具有较好的抑制效果，且适用于低速。 (3)重叠换向法。电流反馈法、滞环电流法虽然解决了低速换向的转矩脉动问题，但通常在高速时效果不理想。现今，在高速段抑制换向转矩脉动较成熟的方法是重叠换向法。其基本原理是。换向时本应立即关断的功率开关器件并不是立即关断，而是延长了一个时间间隔，并将本不应开通的开关器件提前导通。在传统的重叠换向法中，重叠时间需预先确定但选取合适的重叠时间较为困难，且不能最大限度地减小转矩脉动。 (4)PwM斩波法。PwM斩波法与交流侧电流反馈控制法较类似，即开关器件在断开前、导通后进行一定频率的斩波，控制换向过程中绕组的端电压使得各换向电流上升和下降的速率相

27、等，补偿总电流幅值的变化，抑制换向转矩脉动。与重叠换向法相比，该方法具有更小的转矩脉动，适合于精度要求更高的场合。 3齿槽效应引起的转矩脉动 无刷直流电动机定子铁心为了安放定子绕组必然要有齿和植，由于定子齿槽的存在，引起气隙不均匀，一个齿距内的磁通相对集中于齿部使气隙磁导不是常数。当转子旋转时。气隙磁场就要发生变化，产生齿槽力矩。齿槽力矩与转子位置有关，因而引起转矩脉动。齿槽力矩是永磁电机的固有特性，在电机低速轻载运行时，齿槽力矩将引起明显的转速波动，进而产生振动和噪声。因此，如何削弱齿槽力矩是永磁电机设计中较为重要的目标之一。 齿槽力矩产生的原因与前述两种引起转矩脉动的原因不同。前述两种引起

28、转矩脉动的原因均在于定子电流与转子磁场的相互作用，而齿槽力矩是由定子铁心与转子磁场相互作用产生的，减少齿槽转矩脉动最普通的方法就是定子斜槽或转子斜极。另外，增大气隙，采用分数稽和磁性槽楔也有助于减小齿槽力矩的波动。当然，消除齿槽效应最好的方法就是采用无槽电机结构。 无槽电机的电枢绕组不管采用何种形式它的厚度始终是实际气隙的一部分，因此无槽电机的实际等效气隙比有槽电机要大得多所需要的励磁磁动势也要大许多这在早期限制了无槽电机的容量和发展：近年来，随着磁性材料的迅猛发展特别是钕铁硼等高磁能积稀土永磁材料的应用，为无槽电机的实用化创造了条件。采用无槽结构，因为同时具有超大气隙，除了能彻底消除齿槽效应

29、引起的转矩脉动外，还能大幅度削弱由于电枢反应和机械偏心而产生的转矩脉动。 4电枢反应引起的转矩脉动 电枢磁动势对气隙主磁场的影响称为电枢反应。无刷直流电动机的电枢反应比较复杂，根据电枢反应的性质，电枢反应磁动势可分解为交轴分量和直轴分量。 交轴电枢反应磁动势会使气隙主磁场波形发生畸变使气隙主磁场的磁感应强度不再是空载时的方渡，感应电动势也随之畸变。从而导致感应电动势与电枢电流的不匹配，进而引起转矩脉动。现在无刷直流电动机均采用高性能的稀土永磁材料，若采用瓦片形表面贴装式，则交轴电枢反应对气隙主磁场的影响会很微弱。这是因为交轴电枢反应磁路要经过气隙和永磁体见图6 8(a)，永磁材料的磁导率与空气

30、的磁导率是非常接近的，这就使交轴电枢反应磁路的磁阻很大，交轴电枢反应的磁通很小其对气隙主磁场的影响可以忽略不计。 直轴电枢反应磁动势在转子旋转过程中对主磁场先去磁、后增磁(见图67)，使负载每极总磁通在空载每极总磁通的附近变化。这样，感应电动势和电磁转矩也要发生变化，但影响不大。 5机械加工引起的转矩脉动 机械加工和材料的不一致也是引起无刷直流电动机转矩脉动的重要原因之一。如电机机械加工及装配时产生的尺寸和形位偏差，定子冲片各槽分布不均匀定子内外圆偏心定、转子同轴度偏差等产生的单边磁拉力，轴承系统的摩擦转矩不均匀，转子位置传感器定位不准导致的转矩脉动各相绕组参数不对称及电子元器件性能参数的差异而导致的转矩脉动磁路中各零件材料特别是永磁体性能不一致而产生的转矩脉动等。因此。提高工艺加工水平也是减少转矩脉动的重要措施。