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1、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。,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
2、；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。,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。,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
3、电动机的转动。,图 10-1 无刷直流电动机的原理框图,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。,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
4、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。,图 10-2 无刷直流电动机的基本结构,图 10-3 永磁转子结构型式,图 10-4 电枢绕组连接方式,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
5、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的电势。,图 10-5 电磁式位置传感器(a)结构原理图；(b)剖面图,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
6、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。,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。,图 10-6 光电式位置传感器,图 10-7 霍尔无刷直流电动机原理图,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
7、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。,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。,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
8、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。,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。,图 10-8 无刷直流电动机工作原理,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
9、针方向旋转。,当电机转子在空间转过2/3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。,图 10-9 电枢磁场与转子磁场间的相对位置,当转子在空间转过4/3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
10、转。若转子继续转过2/3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。,若转子继续转过2/3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2电角度时，定子电枢绕组共有 3 个通电状态；,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
11、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2/3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c。显然，转子位置传感器的导磁扇形片张角p至少应该等于导通角c。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p略大于c。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m来表示。,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c和m都等于2/3。当电机
12、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p2/(3p)。,表 10-1 星形三相三状态导通顺序表,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c=2/3，位置传感器扇形片张角p2/(3p)。,图 10-10 三相星形桥式开关电路,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
13、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m=/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。,图 10-11 三相桥式电路的位置传感器,表 10-2 两相导通星形三相六状态导通顺序表,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。,电枢合成磁场是由通电的三相磁场所合成。
14、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ABC)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m=/3，导通角c=2/3，位置传感器导磁扇形片张角p2/(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。,图 10-12 三相封闭形桥式开关电路,图 10-13 对应ABC时电枢磁密向量图,表 10 3 封闭形三角六状态导通顺序表,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
15、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c、m、p值，以及空载转速、平均电磁转矩、平均电流的计算公式。,表 10-4 主要特性的计算公式,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c=m=2/3。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；,(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
16、,(10-1),Ua=ea+iaRa+UT,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；UT为功率晶体管饱和管压降。,绕组感应电势,(10-2),感应电势最大值,(10-3),式中，WA为电枢绕组每相有效匝数；为每极气隙磁通；频率,(10-4),将式(10-2)代入式(10-1)，可得电枢电流,(10-5),图 10-14 电枢绕组感应电势波形,图 10-15 电枢电流波形,其波形如图10-15所示。导通时间内电枢电流平均值,(10-6),当转速n=0时，Em=0，所以堵转电流,(10-7),10.4.2 电磁转矩 电机的电磁转矩,(10-8),式中，
17、为电机角速度，,(10-9),将式(10-2)及(10-5)代入式(10-8)，可得电磁转矩,将式(10-3)及(10-9)代入，可得,(10-10),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m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m=2/m，因而增加相数可以减小m，但电机结构和电子线路就要复杂。,平均电磁转矩,(10-11),转速n=0,Em=0，因而平均堵转转矩,(10-12),10.4.3 转速 将式(10-3
18、)和(10-4)代入式(10-6)，可得转速,(10-13),令Ia=0，可得理想空载转速,(10-14),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。由式(10-6)可以看出感应电势平均值 Ea=0.827Em,因而由式(10-3)及(10-4)可得电势系数,(10-15),式中，单位为Wb；Ke单位为V/(rmin-1)。,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
19、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,(Nm/A)(10-16),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+UT 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),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-UT，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。
20、,图 10-16 机械特性曲线,图 10-17 调节特性曲线,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UT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：,也可仿照一般直流电动机，表达为,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。,10.4.6 其它绕组接法时的运行特性 上面
21、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。表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。,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,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
22、点。,图 10-18 无刷直流电动机的电枢反应,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m=2/3。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,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
23、状态角m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。,(10-18),当转子磁极轴线位于m/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。,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
24、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。,图 10-19 正反转时定转子磁场相对位置,正转时在A相绕组导通时间内，转子磁极轴线在角/6与5/6(1与2)范围内，平均值为/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ABC；反转时转子磁极轴线应处在角-/6与-5/6(1与2)范围内，平均值为-/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ACB。所以当一相导通时，只要将相应的转子轴线平均位置改变电角度，电机就可反转。,为了达到上述要求，电动机上应装有两
25、套空间相隔电角度的位置传感器Wa、Wb、Wc及Wa、Wb、Wc，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。Wa、Wb、Wc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电角度。,图 10-20 正反转所需的两套位置传感器,图 10-21 改变电流后定转子磁场相对位置,图 10-22 用于正反转的倒向线路,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，
26、但转子轴线的位置仍在角/65/6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。,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。,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c，对电机性能会产生怎样的影响?,
