永磁电机课件

直流无刷电机基本原理1q BLDC BLDC电机电机 在了解永磁电机之前，为便于理解永磁在了解永磁电机之前，为便于理解永磁电机工作的基本原理，我们先简要回顾一下电磁电机工作的基本原理，我们先简要回顾一下电磁感应方面的一些基本理论及我们比较熟悉的普通感应方面的一些基本理论及我们比较熟悉的普通三相异步电动机和单相异步电动机与直流电机的三相异步电动机和单相异步电动机与直流电机的基本工作原理。通过对比分析，有助于我们快速基本工作原理。通过对比分析，有助于我们快速的掌握永磁电机的基本工作原理。首先，来了解的掌握永磁电机的基本工作原理。首先，来了解一下电磁感应方面的一些基础知识。一下电磁感应方面的一些基础知识。23磁与电磁磁与电磁一、磁的基本知识一、磁的基本知识1 1、磁性、磁性 :能吸引铁、镍等金属或合金的性质。能吸引铁、镍等金属或合金的性质。2 2、磁体、磁体 :具有磁性的物体。具有磁性的物体。3 3、磁极、磁极 :磁体上磁性最强的部位，有磁体上磁性最强的部位，有S S极和极和N N极，磁极间极，磁极间同性同性相斥相斥,异性相吸异性相吸。4 4、磁力、磁力 :磁极间的相互作用力。磁极间的相互作用力。5 5、磁场、磁场 :磁极周围存在的一种特殊物质磁极周围存在的一种特殊物质,具有力和能的特具有力和能的特性。性。6 6、磁力线、磁力线 :为描述磁场的强弱和方向而引入的假想线。为描述磁场的强弱和方向而引入的假想线。在磁极在磁极外部由外部由N N指向指向S S，在磁极内部由，在磁极内部由S S指向指向N N。磁力线越密磁场越强，磁磁力线越密磁场越强，磁力线越疏磁场越弱。力线越疏磁场越弱。4二、电流的磁场二、电流的磁场 19201920年，科学家奥斯特发现，在电流周围存在磁场年，科学家奥斯特发现，在电流周围存在磁场（动电生磁），即电流的磁效应。（动电生磁），即电流的磁效应。电流与其产生磁场的方向可用安培定则来判断，既适用于电流与其产生磁场的方向可用安培定则来判断，既适用于判判断电流产生的磁场方向断电流产生的磁场方向，也适用于，也适用于在已知磁场方向时判断电流的在已知磁场方向时判断电流的方向。方向。1、直线电流产、直线电流产生的磁场生的磁场2 2、环形电流、环形电流产生的磁产生的磁场场5三、磁场对电流的作用三、磁场对电流的作用 1 1、通电导体在磁场中会受到力的作用，、通电导体在磁场中会受到力的作用，电磁力的方向符合左手定则。电磁力的方向符合左手定则。伸开左手，四指并拢，拇指与四指垂直，伸开左手，四指并拢，拇指与四指垂直，并且在同一平面里，让磁感线垂直穿过手心，并且在同一平面里，让磁感线垂直穿过手心，使四指指向电流方向，这时大拇指所指的方向使四指指向电流方向，这时大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受磁场力的方向。就是通电导线在磁场中所受磁场力的方向。左手定则左手定则67 2 2、我们常使用通电导体在磁场中某点受到的电、我们常使用通电导体在磁场中某点受到的电磁力与导体中电流和导体的有效长度的乘积的比值来磁力与导体中电流和导体的有效长度的乘积的比值来表示该点磁场的性质，并称为该点的磁感强度表示该点磁场的性质，并称为该点的磁感强度B B。即：即：B=FILB B：均匀磁场的磁感强度（：均匀磁场的磁感强度（T T）F F：通电导体受到的电磁力（：通电导体受到的电磁力（N N）I I：导体中的电流强度（：导体中的电流强度（A A）L L：导体在磁场中的有效长度（：导体在磁场中的有效长度（m m）8 3 3、一匝匝数为、一匝匝数为N N的线圈在磁场中，若与线圈交的线圈在磁场中，若与线圈交链的磁通链的磁通发生变化，则线圈上会感应出电动势发生变化，则线圈上会感应出电动势e e,称为电磁感应称为电磁感应,e e的正方向与的正方向与符合右手螺旋定则。符合右手螺旋定则。E=-N/t上式的含义是指，电磁感应的电动势与线圈匝数和上式的含义是指，电磁感应的电动势与线圈匝数和磁通的变化率磁通的变化率成正比。成正比。负号是指在感应电动势作用下而在线圈里产生的感应电流所产生的负号是指在感应电动势作用下而在线圈里产生的感应电流所产生的将逆着将逆着变化。变化。1 1）变压器电动势：线圈与磁场相对静止，只有磁通变化。）变压器电动势：线圈与磁场相对静止，只有磁通变化。2 2）运动电动势：线圈与磁场相对运动，引起磁通变化。）运动电动势：线圈与磁场相对运动，引起磁通变化。符合右手定则。符合右手定则。e=e=BlvBlv910 前面，我们回顾了电磁感应方面的一些基础知识，下面我们在此基础上开始了解前面，我们回顾了电磁感应方面的一些基础知识，下面我们在此基础上开始了解电机方面的理论知识，首先，来了解下右手定则。电机方面的理论知识，首先，来了解下右手定则。1112 三相异步电动机的三相定子绕组以互隔三相异步电动机的三相定子绕组以互隔1201200 0的方式嵌放在定的方式嵌放在定子铁芯中。当三个绕组分别接入三相交流电后，便可以产生旋转磁场。子铁芯中。当三个绕组分别接入三相交流电后，便可以产生旋转磁场。实际三相电动机实际三相电动机的旋转磁场是如的旋转磁场是如何产生的呢？何产生的呢？t0iA AX XB BY YC CZ Z 规定：电流为正值时，电流从绕组首端流入，规定：电流为正值时，电流从绕组首端流入，从末端流出；电流为负值时，电流从绕组末端流入，从末端流出；电流为负值时，电流从绕组末端流入，从首端流出。从首端流出。13AXBYCZt0it t=0=0时电流和磁场情况时电流和磁场情况A A、C C两相电流两相电流t=0t=0时为正，因此首端流入、末端流出。时为正，因此首端流入、末端流出。B B相电流相电流t=0t=0时为负，末端流入、首端流出。时为负，末端流入、首端流出。电流入电流入 电流出电流出N N N NS S S Sn0相邻线圈电流流向一致，在气隙中生成合成磁场。相邻线圈电流流向一致，在气隙中生成合成磁场。14t0it=120AXBYCZt t=120=120时电流和磁场情况时电流和磁场情况N N N NS S S Sn n0 0 可见当电流随时间变化可见当电流随时间变化120120，电动机的磁场在空间的位置也，电动机的磁场在空间的位置也随之旋转了随之旋转了120120。观察电流波形图及电机示意图可看出，合成观察电流波形图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相磁场的转向取决于三相电流的顺序电流的顺序，A ABCBC正序时气隙磁场顺时针旋转。正序时气隙磁场顺时针旋转。15t0it=240AXBYCZt=240时电流和磁场情况时电流和磁场情况N N N NS S S Sn n0 0 观察电流波形图及电机示意图可看出，合成观察电流波形图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相磁场的转向取决于三相电流的顺序电流的顺序。16t0it=360AXBYCZN N N NS S S Sn n0 0 电流随时间变化一周电流随时间变化一周，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了针旋转了360360。表明。表明磁场的旋转速度与电流变化的频率有关。磁场的旋转速度与电流变化的频率有关。t=360时电流和磁场情况时电流和磁场情况17归纳：归纳：只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个交流电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间变化随时间变化的的旋转磁场旋转磁场旋转磁场旋转磁场。18AXBYCZn n0 0三相异步电动机工作原理概括三相异步电动机工作原理概括 在电动机对称三相定子绕组中通在电动机对称三相定子绕组中通入对称三相交流电流入对称三相交流电流产生气隙旋转磁场产生气隙旋转磁场N NS S 转子导体与磁场相切割，生成感转子导体与磁场相切割，生成感应电动势、感应电流应电动势、感应电流载流导体受电磁力的作用形成力偶载流导体受电磁力的作用形成力偶力偶对电机转轴形成电磁转矩力偶对电机转轴形成电磁转矩从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来。从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来。F FF F 若要改变电动机的旋转方向，只需若要改变电动机的旋转方向，只需任调通入定子绕任调通入定子绕组中两相电流的相序即可组中两相电流的相序即可。19 很明显，电动机上存在两个转速，一个是旋转磁场转速很明显，电动机上存在两个转速，一个是旋转磁场转速n n0 0，一个是转子的，一个是转子的 转速转速n n。电动机的电动机的转速转速n n能等于能等于旋旋转磁场的转速转磁场的转速n n0 0吗？吗？如果二者相等，则转子与旋转磁场之间如果二者相等，则转子与旋转磁场之间产生感应电流产生感应电流成为载流导体成为载流导体不是载流导体不是载流导体就无法在磁场中就无法在磁场中就就没有了相对切割没有了相对切割转子不切割磁场转子不切割磁场就不能就不能受力受力不受力不受力电动机就永远转运不起来。电动机就永远转运不起来。n n n nn n n n0 0 0 0，异步异步！20单相异步电动机的定子磁场单相异步电动机的定子磁场单相机定子单相机转子t0i在定子绕组中通入单相交流电 电流正半周，线圈导体中通过电流正半周，线圈导体中通过的电流始终为正值的电流始终为正值 合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。NS 电流的负半周，线圈导体中电流的负半周，线圈导体中通过的电流方向始终为负通过的电流方向始终为负 SN 合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。显然，单相异步电动机的定子磁场是一个大小和方向随时间不断变化、显然，单相异步电动机的定子磁场是一个大小和方向随时间不断变化、但磁场轴线位置始终不变的但磁场轴线位置始终不变的脉动磁场脉动磁场。所以单向异步机的转子不会自行。所以单向异步机的转子不会自行起动，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。起动，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。21如何使单相异如何使单相异步电动机旋转步电动机旋转起来呢？起来呢？电容分相法可让单相异步机转动 电容分相式异步电动机的定子有两个绕组：电容分相式异步电动机的定子有两个绕组：一一个是工作绕组；另一个是起动绕组，两个绕组在个是工作绕组；另一个是起动绕组，两个绕组在空间对称嵌放。起动绕阻与电容空间对称嵌放。起动绕阻与电容C C串联，使起动绕组串联，使起动绕组电流电流i i2 2和工作绕组电流和工作绕组电流i i1 1产生产生9090的相位差，即：的相位差，即：加入起动绕组后，和工作绕组并联连接于单相交流电源上。加入起动绕组后，和工作绕组并联连接于单相交流电源上。可可见见，单单相相电电动动机机定定子子两两绕绕组组的的合合成成磁磁场场也也是是一一个个随随时时间间空空间间位位置置不断变化的旋转磁场。单相电动机也因之可以自行起动了。不断变化的旋转磁场。单相电动机也因之可以自行起动了。AXBYAXBYAXBYq BLDC BLDC电机电机22q BLDC BLDC电机电机 前面我们对普通三相及单相电机进行了简要的分析，下面主要来了解下永磁电机的基本工作情况。23rrggbbNSACBZYXn模拟结构图qBLDCBLDC电机电机24n定子 定子绕组一般制成多相（三、四、五相不定子绕组一般制成多相（三、四、五相不等），通常为三相绕组。三相绕组沿定子等），通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁心对称分布，在空间互差铁心对称分布，在空间互差120120度电角度，度电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。通入三相交流电时，产生旋转磁场。qBLDCBLDC电机电机25q BLDC BLDC电机电机共有6种电流流动方向；于是电机就能换相，并运行。电机工作原理电机工作原理26q BLDC BLDC电机电机 电机运转时的波形27n转子 转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作 为永磁材料。为永磁材料。采用永磁体简化了电机的采用永磁体简化了电机的 结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗，结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗，提高电机的效率。提高电机的效率。qBLDCBLDC电机电机28q BLDC BLDC电机电机 常用磁铁材料：稀土磁铁和铁氧体磁铁钕铁硼钕铁硼，简单来讲是一种磁铁，和我们平时见到的磁铁所不同的是，其优异的磁性能而被称为“磁王”。钕铁硼中含有大量的稀土元素钕、铁及硼，其特性硬而脆。由于表面极易被氧化腐蚀，钕铁硼必须进行表面涂层处理。表面化学 处理是目前很好的解决29qBLDCBLDC电机电机方法之一。钕铁硼作为稀土永磁材料的一种具有极高的磁能积和矫顽力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用，从而使仪器仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化成为可能。钕铁硼的优点是性价比高，具良好的机械特性；不足之处在于居里温度点低，温度特性差，且易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分和采取表面处理方法使之得以改进，才能达到实际应用的要求。30q BLDC BLDC电机电机位置传感器：位置传感器大部分采用霍尔器件。位置传感器和定子绕组是固定不转的，转子是永久磁铁，磁铁经过转子位置传感器后，霍尔器件产生一个脉冲。31q BLDC BLDC电机电机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。32.安装槽的底部要平，不能歪斜，否则会导致霍尔器件倾斜放置，电机产生噪音。.用铲子等工具清理安装槽的底部和侧部，去除可能会刮伤霍尔器件器件的毛刺。.粘接霍尔器件要使用AB胶。粘接时只能涂敷于霍尔器件的底面和侧面，不能粘接表面，否则会降低灵敏度。其步骤是：首先是在背面涂敷一点胶，用手指压平霍尔器件即可。.为防止腐蚀，不可使用502胶。.AB胶发热时，不可粘接霍尔器件，否则会导致霍尔器件受热。.粘胶必须完全干燥后方可通电检测。.三个霍尔器件位置要平放，顶部要对齐(处于一条线上)，否则,不同的位置会导致霍尔器件的输出不同。.霍尔器件的引脚要平直，尽量避免弯曲。霍尔元件装配注意事项：33霍尔位置传感器霍尔位置传感器，因结构简单、安装方便、灵活，易于机电一体化，获得了广泛应用。霍尔元件特性是：在磁场中有电流流过时，其横向出现电势电压(见图)。霍尔元件的控制极分别接入电源，输出端x1、X2、Y1及Y2分别输出信号，控制晶体管BGl-BG4的开、关。根据霍尔元件的特性，当主转子N极在定子Yl位置时，在霍尔元件HGl中产生x1方向上的电势，此信号使BG4导通，与BG4串联的34q BLDC BLDC电机电机绕组WXl中有电流流过，并使定子x1极磁化为s极吸引转子旋转90度，N极到达定子xl位置，此时HGl的输出为0，在霍尔元件HG2中产生Y2方向上的电势，此信号使BG3导通，使绕组wY2中有电流流过，并使定子Y2极磁化为s极吸引转子继续旋转90度，N极到达定子Y2的位置，此时HG2输出为0，s极对准。HGl，因而在：HGl中产生x2方向的电势，同样使BG2，WX2导通，使转子继续旋转90度。因此对于不同的主转子位置，霍尔元件依次输出不同的信号，使主定子绕组按wXlwY2WX2wYl的顺序轮流通电，形成旋转磁场，使转子旋转。35电路器件简化图释电路器件简化图释电 池控制器电 机转 把刹 把仪 表大 灯前转向灯巡航开关喇 叭后转向灯前刹车灯后尾灯电源开关喇叭开关大灯开关转向开关后刹车灯36q BLDC BLDC电机电机37q BLDC BLDC电机电机38q BLDC BLDC电机电机1.1.磁回路分析法图1-439q BLDC BLDC电机电机在图1-4中，当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度B（如粗箭头方向所示），而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。“当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大”。注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大。诚然，在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为0，当然也就不会转动了。当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动，见图1-5所示：40q BLDC BLDC电机电机图1-5 如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作，就叫做换相（commutation）。注意：何时换相只与转子的位置有关，而与转速无关。以上是两相两级无刷电机的工作原理，下面我们来看三相两极无刷电机的构造。41q BLDC BLDC电机电机2.2.三相二极内转子电机结构定子三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最常用。图1-642q BLDC BLDC电机电机图1-6显示了定子绕组的联结方式（转子未画出），三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A,B,C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB,AC,BC,BA,CA,CB，图1-7(a)(f)分别描述了这6种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度的方向（红、兰色表示）和两个线圈的合成磁感应强度方向（绿色表示）。43q BLDC BLDC电机电机在图(a)中，AB相通电，中间的转子（图中未画出）会尽量往绿色箭头方向对齐，当转子到达图(a)中绿色箭头位置时，外线圈换相，改成AC相通电，这时转子会继续运动，并尽量往图(b)中的绿色箭头处对齐，当转子到达图(b)中箭头位置时，外线圈再次换相，改成BC相通电，再往后以此类推。当外线圈完成6次换相后，内转子正好旋转一周（即360）。再次重申一下：何时换相只与转子位置有关，而与转速无关。图1-8中画出了换相前和换相后合成磁场方向的比较与转子位置的变化。一般来说，换相时，转子应该处于，比与新的合成磁力线方向垂直的位置不到一点的钝角位置，这样可以使产生最大的转矩的垂直位置正好处于本次通电的中间时刻。44q BLDC BLDC电机电机(a)AB相通电情形(b)AC相通电情形45q BLDC BLDC电机电机(c)BC相通电情形(d)BA 相通电情形46q BLDC BLDC电机电机(e)CA 相通电情形(f)CB相通电情形47q BLDC BLDC电机电机3.3.三相多绕组多极内转子电机的结构 搞清了最简单的三相三绕组二极电机，我们再来看一个复杂点的，图1-9(a)是一个三相九绕组六极（三对极）内转子电机，它的绕组连线方式见图1-9(b)。从图(b)可见，其三相绕组也是在中间点连接在一起的，也属于星形联结方式。一般而言，电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的（比如用9绕组6极，而不是6绕组6极），这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸而对齐，产生类似步进电机的效果，此种情况下转矩会产生很大波动。48q BLDC BLDC电机电机(a)电机定子与转子结构(b)绕组联结方式图1-9 三相9绕组3对极内转子无刷直流电机结构49q BLDC BLDC电机电机二二导通时的6种通电情况自行分析，原则是转子的N（S）极与通电绕组的S（N）极有对齐的运动趋势。图1-10给出了一个对齐的运动趋势的图例。图1-10 某2相通电时的转子磁极和定子磁极对齐运动的最终位置50q BLDC BLDC电机电机转子的受力分析转子的受力分析在图1-20(a)中，AB相通电，电流处于转子产生的磁场内，根据左手定则，我们判断线圈AA中的上半部导线A受到一个顺时针方向的电磁力，而AA的下半部导线A也受到一个顺时针方向的电磁力。由于线圈绕组在定子上，定子是固定不动的，故根据作用力与反作用力，定子绕组AA会施加给转子一个逆时针方向的反作用力，转子在这个力的作用下，就转起来了。同理，与AA的情况类似，BB也会对转子产生一个逆时针的反作用力。当转子逆时针转过60后，到达图1-20(b)的位置，这时线圈BB已经到达转子磁极的边缘位置了，再转下去就要产生反方向的力了，所以这时就要换相，换成AC相通电，见图1-20(c)。这样，每过60换相通电，转子就可以一直转下去了。51q BLDC BLDC电机电机(a)AB相通电(b)转过60(c)AC相通电(d)转过60(e)BC相通电(f)转过6052q BLDC BLDC电机电机(g)BA相通电(h)转过60(i)CA相通电(j)转过60(k)CB相通电(l)转过6053q BLDC BLDC电机电机换相控制电路换相控制电路主要由6个功率场效应管和一些外围电阻和三极管构成，虽然原理不复杂，但涉及到的相关知识还是蛮多的，所以要分几个部分讲。六臂全桥驱动电路原理为了清楚地说明问题，我们先将原图作一些简化图2-2 六臂全桥式驱动电路54q BLDC BLDC电机电机 Q1到Q6为功率场效应管，当需要AB相导通时，只需要打开Q1,Q4管，而使其他管保持截止。此时，电流的流经途径为：正极Q1线圈A绕组BQ4负极。这样，六种相位导通模式：AB,AC,BC,BA,CA,CB分别对应的场效应管打开顺序为Q1Q4,Q2Q2,Q3Q2,Q3Q6,Q5Q6,Q5Q4。Q1Q6的每个场效应管旁边还并联着一个二极管，这是干什么用的，画蛇添足的设计么？非也。我们在第一章曾经提到，无刷直流电机的调速是用PWM波形的占空比来调，图2-2中，采用的是H_PWM-L_ON方式来驱动的，也就是上臂采用PWM信号控制，而下臂常开的一种驱动方式。比如在AB相导通时，单片机给Q1的栅极是PWM信号，而给Q4的栅极是常开信号，这样你就可以通过控制Q1输入端的PWM信号占空比来控制驱动电机的有效电压。此时A端和B端的电压波形如图2-3的圆圈中所示（我们等会儿再讲C相电压是怎么回事）。55q BLDC BLDC电机电机现在问题来了，A相的电压是可以突变的，但是由于电感的作用，流经AB线圈的电流是不能突变的。这时，线圈由于自身电感的作用产生极高的瞬时反电动势而击穿元器件。所以这时候二极管的作用就来啦，在PWM信号的低电平期间，电流是按照图2-4所示的箭头路径续流的。由于负极端电位强制为零，二极管有一个正向压降，A点的电压就可以在瞬间降到比零略小的值。56q BLDC BLDC电机电机图2-3 各相电压波形57q BLDC BLDC电机电机功率场效应管的选择(1)N型和P型MOSFET场效应管的基本知识：图2-7(a)是一个N沟道型场效应管，图2-7(b)是一个P沟道型场效应管。N沟道场效应管有点类似于NPN三极管，只要栅源极间加一个正向电压，并且其值超过数据手册上的阈值电压时，场效应管的D极和S极就会导通。一般N型功率型场效应管的VGS阈值电压都会在320V之间。图2-7 N型和P型场效应管5859