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标题:
无刷直流电动机
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作者:
kmwjs
时间:
2005-11-5 13:23
标题:
无刷直流电动机
无刷直流电动机的基本工作原理
我们以图1-6所示的无刷直流电动机系统来说明天刷直流电动机的工作原理。电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑交换后产生驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管使电机的各相绕组按一定的顺序工作。
图1-6
当转子旋转到图1-7(a)所示的位置时转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑交换后驱动逆变器使VT1,VT6导通,即A、B两相绕组通电,电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经VT6回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图1－7(a)所示，此时定转子磁场相互作用使电机的转子顺时针转动。
当转子在空间转过6O度电角度，到达图1-7(b)所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VT1、VT2 导通,A、C两相绕组通电,电流从电源的正极流出经VT1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VT6回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图1-7(b)所示,此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。
，转子在空间每转过60度电角度，逆变器开关就发生一次切换，切换开关管的导通逻辑为VT1,VT6-VT1,VT2-VT3,VT2-VT3,VT4-VT5,VT4-VT5,VT6。在此期间,转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用沿顺时针方向连续旋转。
在图1-7(a)到图1-7(b)的60度电角度范围内，转子磁场沿顺时针方向连续旋转,而定子合成磁场在空间保持图1-7(a)中Fa的位置静止。只有当转子磁场连续旋转60度电角度,到达图1-7(b)所示的Fr位置时，定子合成磁场才从图1-7(a)的Fa位置跳跃到图1-7(b)中的Fa位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的,而是一种跳跃式旋转磁场。每个步进角是60度电角度。
图1-7
转子在空间每转过60度电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。我们把无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形。三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。
由于定子合成磁势每隔1／6周期（60度电角度）跳跃前进一步，在此过程中，转子磁极上的永磁磁势却是随着转子连续旋转的，这两个磁势之间平均速度相等，保持“同步”，但是瞬时速度却是有差别的，二者之间的相对位置是时刻有变化的，所以，它们相互作用下所产生的转矩除了平均转矩外，还有脉动分量。
作者:
kmwjs
时间:
2005-11-5 13:26
无刷直流电动机与永磁同步电动机的比较
由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统后构成自同步永磁电动机，它既具有永磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。
对于永磁同步电动机而言，由于转子的结构和永磁体的几何形状不同，转子激磁磁场在空间的分布有正弦波和梯形波之分，因而在定子绕组中产生的反电动势也有两种波形：正弦波和梯形波、这两种永磁同步电动机在原理、模型及控制方法上均有所不同。通常将反电动势为梯形波、电枢电流为方波的永磁同步电动机系统称为无刷直流电动机(BLDCM)，而将反电动势和电枢电流均为正弦波的永磁同步电动机系统称为永磁同步电动机(PmSM)。也有人把它们分别称为方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机。
两种驱动模式的波形如图l－8所示。
从电机结构上看，方波电动机与正弦波电动机没有多大差别，但由于它们的运行原理不同，使它们在转矩产生的方式、控制方法、出力等方面均有很大差异。下面就两种驱动模式的特点进行比较分析。
(1)方波气隙磁场可以分解为基波和一系列谐波，可见方波电动机的电磁转矩不仅由基波产生，同时也由谐波产生。在同样体积的条件下，无刷直流电动机比正弦波永磁同步电动机的出力大约增加15％。
(2) 从理论上讲，无刷直流电动机气隙磁场的极弧宽度为180度电角度时，脉动转矩为0，输出转矩最大。但由于实际电动机的极弧宽度不出能做到180度电角度，因而无刷直流电动机不可能完全消除转矩脉动。而正弦波永磁同步电动机只要保证各相量均为正弦波，就可以消除转矩脉动。
(3)方波气隙磁杨的产生比较简单，而正弦波气隙磁场对磁路设计和加工工艺要求严格。
(4)无刷直流电动机通常采用整距集中绕组，以产生梯形波及电动势。而永磁同步电动机为了产生正弦波反电动势，需要采用短距分布绕组或分数槽绕组，工艺性复杂。
(5)无刷直流电动机的控制方法简单，控制器成本较低，永磁同步电动机通常采用矢量控制等方法，控制算法复杂，控制器成本高。
(6)无刷直流电动机转子位置传感器结构简单、成本低，而永磁同步屯动机必须使用高分辨率的转子位置传感器。
(7)无刷直流电动机的定子磁场是跳变的，而永磁同步电动机的定子磁场是连续旋转的。
天刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调速性能已能达到低速转矩脉动小于3%,调速比大于1:1000O的水平，因而越来越多地受到人们的青睐。
作者:
kmwjs
时间:
2005-11-5 13:28
无刷直流电动机的特点
与感应电动机相比，天刷直流电动机具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能，主要表现在以下几个方面：
(1)由于采用高性能永磁材料，无刷直流电动机转子体积得以减小，可以具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩／惯量比。
(2)由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以无刷直流电动机具有较高的效率和功率密度。对于同等容量输出，感应电动机需要更大功率的整流器和逆变器。
(3)由上没有转子发热，无刷直流电动机也无需考虑转子冷却问题。
(4)尽管感应电动机系统应用较为普遍和成熟，但由于其非线性本质，控制系统极为复杂。永磁同步电动机把交流电动机复杂的磁场定向控制转化为转子位置定向控制，而无刷直流电动机则进一步将其简化为离散六状态的转子位置控制，也无需坐标变换。
与永磁同步电动机相比，无刷直流电动机也具有明显的优势：
(1)无刷直流电动机采用方波电流供电，可以提供更高的转矩／体积比，相同条件下输出转矩大15％。
(2)在电动机中产生梯形波的磁场分布和梯形波的感应电动势要比产生正弦波的磁场分布和正弦变化的电动势简单，因此无刷直流电动机结构简单、制造成本低。
(3)对于永磁同步电动机，由于定子电流是转子位置的正弦函数，系统需要高分辨率的位置传感器，构造复杂，价格昂贵。
(4)产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，控制也简单得多，因此无刷直流电动机控制简单、控制器成本较低。
由于采用电力电子器件代替机械换向器，无刷直流电动机克服了有刷直流电动机的致命缺点。与有刷直流电动机相比，无刷直流电动机有以下特点：
(1)可靠性高，寿命长。它的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统、高性能的无刷直流电动机工作寿命可达数十万小时。而有刷直流电动机寿命一般较短，在高湿环境下甚至只有几分钟。
(2)不必经常进行维护和修理。
(3)无电气接触火花、无线电干扰少。
(4)可工作于高真空、不良介质环境。
(5)可在高转速下工作，专门设计的高速无刷直流电动机的工作转速可达每分钟10万转以上。
(6)机械噪声低。
(7)发热的绕组安放在定子上，有利于散热，便于温度监控，易得到更高的功率密度。
(8)必须与一定的电子换向线路配套使用，从而使总体成本增加，但从控制的角度看，有更大的使用灵活性。
作者:
wzh
时间:
2005-11-5 15:04
请问到有成熟的产品推出还有多长时间？
作者:
喷气螺旋桨
时间:
2005-11-5 20:53
嘿嘿
太强拉
看不明白啊
作者:
cfandd
时间:
2005-11-5 21:40
这是有感无刷吧，能不能上点无感无刷的扫盲知识呢？
谢谢！！
作者:
鸽子
时间:
2005-11-5 23:53
看着头晕
作者:
huyou
时间:
2005-11-5 23:59
晕！
保存先，慢慢看
作者:
kmwjs
时间:
2005-11-6 08:47
原帖由
cfandd
于 2005-11-5 21:40 发表
这是有感无刷吧，能不能上点无感无刷的扫盲知识呢？
谢谢！！
--------------------------------------------
下周再贴,先上一张图.
[
本帖最后由 kmwjs 于 2005-11-6 08:48 编辑
]
作者:
cfandd
时间:
2005-11-6 14:39
顶！！！
作者:
XTGJR
时间:
2005-12-5 21:03
太厉害了~不大看的懂
作者:
netcat
时间:
2005-12-5 22:32
会用就行！模友不必要求自己每个技术细节都明白，那样的话玩模型太累了！！
作者:
aeronuts
时间:
2005-12-6 01:58
每猜错的话这是从一本名叫《特种电机原理》的书上摘的吧，我也认真研读过，不过讲的大多是工业上用的有感无刷电机，应用在航模上的讲的不多，本书后面还附有详细的控制电路图以及控制电路芯片选择，有兴趣可以看看，挺有价值。
作者:
飞狐
时间:
2005-12-6 09:41
标题:
基本看懂了 ！
这里讲的是电机部分原理，没有讲到转子的位置识别。
而有感无刷和无感无刷的区别就在于转子的位置识别不同，电机本身的工作原理还是很类似的，可以参考。
至少回答了有些人问的“无刷电机为什么要有三根线”“为什么要有电调”这样的问题。
作者:
turbine
时间:
2005-12-6 11:06
楼主的帖子不知道是转的，还是自己写的，有几个致命的错误：
“通常将反电动势为梯形波、电枢电流为方波的永磁同步电动机系统称为无刷直流电动机(BLDCM)，而将反电动势和电枢电流均为正弦波的永磁同步电动机系统称为永磁同步电动机(PmSM)。”
无刷直流电动机与永磁同步电动机的区别并不在于是方波，还是正弦波。无刷直流电动机也有正弦波驱动，而且其性能高于方波驱动，只是驱动电路复杂，成本高。
从本质上看，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机。永磁同步电动机是交流供电的，所以无需驱动，直接供电即可。但是，无刷直流电动机是直流供电的，所以必须要靠电调完成从直流逆变成交流的任务，才能驱动电机。所以，二者存在很大的差别，应用领域也不同，不存在优劣的问题。
“(1)方波气隙磁场可以分解为基波和一系列谐波，可见方波电动机的电磁转矩不仅由基波产生，同时也由谐波产生。在同样体积的条件下，无刷直流电动机比正弦波永磁同步电动机的出力大约增加15％。”
这一点不知是作者没搞懂，还是有其他的目的。对于旋转电机，效率最高的驱动磁场是正弦波，而方波驱动只有基波有作用，谐波只有副作用，产生振动、发热。
“(5)无刷直流电动机的控制方法简单，控制器成本较低，永磁同步电动机通常采用矢量控制等方法，控制算法复杂，控制器成本高。”
不知道作者是如何得出这一结论的，所有无刷直流电动机都必须要电调完成从直流逆变成交流的任务，而电调的成本高，控制方法也不简单，看看电机的专业杂志就知道了。而永磁同步电动机不需要复杂的控制器，电机启动转入同步状态后，控制器都可以不要了。特别要强调，“矢量控制”是用于异步感应电动机的，与永磁同步电动机无关。
“(6)无刷直流电动机转子位置传感器结构简单、成本低，而永磁同步屯动机必须使用高分辨率的转子位置传感器。”
直流电动机的供电是直流，为了形成旋转磁场，必须根据转子位置改变定子磁场方向，所以有刷电机靠电刷和换向器来实现，无刷电机靠转子位置传感器来实现，无感无刷电机靠检测反电动势来实现；而永磁同步电动机的供电是交流，定子磁场本来就是旋转的，无需换向，因此不存在转子位置传感器。
“(2)由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以无刷直流电动机具有较高的效率和功率密度。对于同等容量输出，感应电动机需要更大功率的整流器和逆变器。”
一般来说，感应电动机都指的是交流电机，交流电机是不需要整流器和逆变器，除非是在特殊状况下用变频器。
还有一些问题就不提了。
需要说明的是：我指出这些错误，并不是打击作者，而是怕误导其他人。
总的来看，作者是对电机很感兴趣的非专业爱好者，看了很多书，但没吃透，有些基本概念还理解错误。但是，对于作者这样的爱好者，能深入到这个地步已经很不容易了，希望继续努力。
作者:
eakliu1
时间:
2005-12-6 12:38
标题:
谢谢，提供！
保存先，现在项目要用到这方面知识，，
作者:
xmz26104
时间:
2005-12-6 14:35
标题:
请教楼上的几个问题:
"而永磁同步电动机不需要复杂的控制器，电机启动转入同步状态后，控制器都可以不要了。特别要强调，“矢量控制”是用于异步感应电动机的，与永磁同步电动机无关。"
您是怎么得出这个结论的?矢量控制,变压变频和弱磁变频都是交流电机调速技术,为什么和永磁同步电机无关呢?
"而永磁同步电动机的供电是交流，定子磁场本来就是旋转的，无需换向，因此不存在转子位置传感器。""一般来说，感应电动机都指的是交流电机，交流电机是不需要整流器和逆变器，除非是在特殊状况下用变频器。"位置传感器和变频器一起用作调速,定位控制,恒转矩控制.位置传感器是用来检测输出速度,位置的,不只是用来换向的.
作者:
niuniu1-2
时间:
2006-1-24 11:43
有没有简单点的，这样说我不是很明白呀，我就是来学这个知识的，但是你这样说等于是对牛弹琴呀！！！！
作者:
apq
时间:
2006-1-25 09:02
顶s你
作者:
宝骡四世
时间:
2006-1-29 12:03
15楼的观点不对，许多概念性的错误。楼主的贴基本正确，只是没提到永磁同步电机的优点：更高能耗比，更低的噪声，更精确的转矩控制，是空调冰箱洗衣机的首选。
作者:
大漠残壁
时间:
2006-1-29 12:27
看完了，电脑都不会关了，因为一个字,晕!
作者:
apq
时间:
2006-1-29 20:03
好贴！！！！
狂顶！
？？？好像在哪见过。
作者:
nnn_ooo_111
时间:
2006-1-29 20:11
今晚喝多了，没看仔细，但我知道是好贴！！！，所以保存下来明天再看！！！
作者:
K100
时间:
2006-1-29 23:46
能否通俗解释一下?
作者:
老张
时间:
2006-1-30 09:44
不错，又学到知识了
作者:
mpang
时间:
2006-2-18 23:48
永磁同步电机和直流无刷电机的区别确实是气隙磁场的分布不同，之所以称之为‘同步’是因转子的转速和气隙磁场的转速同步,但是广义的说无刷直流电机也可称之为‘同步电机’只是气隙磁场的在工作时是跳变旋转的不连续的，而永磁同步电机的气隙磁场为正弦波这种波的磁场在工作时只要加上交流电就可以产生连续旋转的磁场，所以永磁同步电机工作时转距波动很小，效率非常高，几乎可以接近1
作者:
mpang
时间:
2006-2-18 23:57
对于控制方式的问题，矢量控制既可以用于交流异步电机（通常说的鼠笼电机）也可以用于永磁同步电机，而且用于永磁同步电机由于少了对转子磁链位置的判断而变的相对简单，说永磁同步电机不用逆变模块是错误的，众所周知，同步电机运行时最怕失步，非永磁同步电机为了防止失步采取了一些措施，而永磁同步电机就没有，他为了防止步失步就必须要逆变模块·如果没有的话对永磁同步电机是一个浪费，因为永磁同步电机一般的应用场合是对位置转速要求较高的伺服系统
作者:
mpang
时间:
2006-2-19 00:01
永磁同步电机也可以按照无刷电机的工作方式来工作，所以有些永磁同步电机都安装有与无刷直流电机一样的位置传感器
作者:
mpang
时间:
2006-2-19 00:07
我就说这些了～有不对的地方大家给指出来啊
作者:
坏孩子
时间:
2006-2-20 19:37
关注
作者:
mpang
时间:
2006-2-20 20:13
航模用的无刷直流电机由于体积的因素不能加装位置传感器，所以都采用无位置传感器的无刷直流电机调速方式。无位置传感器的调速方式也必须判断转子的位置，只是判断方法是根据绕组的反电势来判断，有一种方式是根据非导通相的过零点在延迟30度的电角度进行换向，另一种方式是讲反电势波形两两相减相减后的波形过零点就是换向点
作者:
mpang
时间:
2006-2-20 20:25
上面我们说了一个名词“电角度”不懂电机的玩家不是很理解这个词，我给大家解释一下
电角度是根据电特性来说的，我们看无刷直流电机转子转一周既360度这叫机械角度，也就是实际的转过的角度。但是由于电机转子的永磁体的对数的不同，实际的气隙磁场可能不是这么旋转的，如果只有一对磁极既只有一个N极和一个S极这时磁场的旋转角度等于转子旋转的机械角度，但是当磁极变成2时既一个N极一个S极再一个N极再一个S极这样根据对称原理只要转子旋转180机械角度，磁场就恢复到了初始状态，也就是磁场旋转了一周极360度，所以电角度可用公式极对数乘以机械角度的方式得到。
我看大家做的航模用无刷直流电机好相有4对磁极，是不是这样啊？
作者:
palm
时间:
2006-2-21 11:22
好文，收藏
作者:
tjpengjian
时间:
2006-2-21 12:58
学习
作者:
火花塞
时间:
2006-2-22 15:58
太复杂啦,$$$$$$$$ 晕了。
作者:
大晶牙
时间:
2006-2-22 17:25
好书！字也写的不错！
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