1、山东大学硕士学位论文风机用外转子永磁无刷直流电机及其驱动系统的设计姓名：徐长缨申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：徐衍亮20070423山东大学硕士学位论文摘要风机的耗电量占全国总发电量的40左右，是全国耗电最大的工业装备，而且运行效率比国外低10一30因此在风机(及水泵)上实行节能、节电、降耗是一个紧迫的任务，对缓解我国电能的供需矛盾、推进我国现代化建设、缩小我国和发达国家的差距具有非常现实和深远的意义。小型风机(110千瓦)特点是：单台的耗电量很小，但是数量巨大，因此降低这些小型风机的耗电量同样具有十分深远的经济意义。但在这一领域的节能研究一直未能得到充分重视。本论文提出一种用于驱
2、动小功率风机的永磁无刷直流电机，通过调速调节风量从而达到节能的目的永磁无刷直流电机是近年随着电力电子技术和永磁材料的进步而迅速发展起来的一种新型电机。它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，即克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列缺点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，因此在各个领域中得到了广泛应用。本论文从永磁材料、磁体结构、充磁方式、绕组分布、极弧系数等方面分析了风机外转子永磁无刷直流电机的设计要求，给出永磁无刷直流电机结构、原理及一般设计要求；根据风机电机的驱动要求，设计制造外转子风机用铁氧体永磁无刷直流电机样机；针对风机用电机驱动系统的调
3、速及各种保护要求，基于降低成本的原贝lJ，设计制造永磁无刷直流电机的驱动系统。这一设计为基于专用集成芯片的小功率无刷直流电机的调速控制系统，并进行了试制、调试及试验。实验表明了系统具有简单和优越的控制性能，适于小功率无刷直流电机的控制。样机实测数据表明外转子永磁无刷直流电机用于驱动小功率风机具有良好的性能、较低的成本，具有进行产业化生产的优势。关键词：风机、永磁无刷直流电机、电机设计、驱动系统山东大学硕士学位论文ABSTRACThl clIim，air-pImlps cons岫e moelec仃ici移也跹卸y otllcr illdllstrial equipments锄dtlle cons
4、衄1ption oftlle pun叩s occupy 40ofthetire elcc仃ic powerThe e伍ci即cy Ofollr air巾啪ps is lOto 30lowcr tllan abroadso adapdng tlle ptlmps fbr cn吲cmr嘶on is an 11rgent taskns very me她g丘d白rkasing也e c01Ib锄曲mon betwecnsupply and demand of el仃ici劬illlpfo“ng tlle cons协lcdon of mod锄iza矗衄觚dna丌oing tlle gap bcteoIlr
5、 st咖粕d developed c删鹳11lc舭lallale aj-plln驴(11嘶)havc their own propemesEh indMdualcons啪部li砌e but the qlland石es Of tlle pu坤s a1argeSo it is useful蕾odlItI塘consump吐on of tlle small-ale air巾m珥硌Howe、惯f苦w of us血ink m埘ch of it in past虹meTMs pap盯psents a type of pcrm嬲ent m孵ledc b11培hless DC motor for drivings
6、mall一ale ajr-p1删psPe衄锄ent Ma髓et Bmshless DC Motor口MBDCD is a ldnd ofnew姊e motcIr嘶th也e dcvelopment ofpow盯elec的llics锄d pe肋anent-ma驴ct material，It is widely used弱a hi曲-perfb彻ance“Ving maclline ballse ofits advan诅gcs如ch雒simple s仇l峙nl，reliable opera虹and conv钮it maillt衄船ce wllich 11le AC mo姗have锄d the inl
7、leDent advantagcs私a I)c mo姗ofhi曲e街ciency，low ma弘et excitation 10ss锄d excellent speed con的11abili够We moderate me willds of 1he pur叩s bygulate t11e motors印eed孤d by this waywe could meet me target ofergy co嬲emtionm this paperwe彻啪ysis me motor丘Dmmat耐al，I婶et s饥lctllre，magneti刎on，舭d the coe伍cicIlt of magn
8、et arcs and weprovide the s衄lcmre，principles and desi|弘dem托ds of the motorA prototype of tllepemlanellt ma驴etic bmshless DC motor w鹊made to drive tlle cxtemal rotor pumps，如dthe dliving systemswasdeSi霉ledbyme出mandofspeed咒guLatin岛sys咖pcotecnon andcost鼢“n昏This con仃ol syst锄ofbmshless dict currt motor is
9、 b勰cd on specialn山东大学硕士学位论文inte掣atcd circu沁The design sch锄e is tested缸d也e sarnple h勰bn m龇蠡ctI】rcdThe si如哪e勰d pred伽limnt p确册ae is shown by the prototype trial sThc c彻血Dls)哦豇n i8 l塔od minly in small pow盯h删e8s direct cuIrent motor comr01We璐e the prototype of the pe硼an饥t magnetic bmshless DC mo协r to dri
10、Ve tllesmall-ale airplmlps and the mea鲫d批shaw也at the motor_is肿心e伍cienthslawcr cost and the ad啪ta_ges重br indI珥仃iali础011Key Word摹：灿r-p呲lp、P蹦nanent Ma弘ctic BnlShless DC M呦r、Elec恤al MachiDesi弘、Driving S)rstem原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出
11、重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：I垒丝5望 日期： 歹DD 7z23关于学位论文使用授权的声明本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：丝垒丝导师签名：硷!辽盔j日期：迎孑：牟：；山东大学硕士学位论文第一章绪论11课题的来源风机(包括泵类)耗电量占全国总发电量的40左右，是全国耗电最大的工业装备。展望未来，我国电能的供需
12、形势十分严竣；另一方面，我国能源使用不合理和浪费现象十分严重，节约潜力很大，特别是耗电量巨大的风机、泵类等的运行效率比国外低lO母D，节电潜力经初步计算约为300qOO亿度，因此在风机(及水泵)上实行节能、节电、降耗是一个紧迫的任务，对缓解我国电能的供需矛盾、推进我国现代化建设、缩小我国和发达国家的差距具有非常现实和深远的意义。上世纪七十年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量，取得可观的节能效果。而小型风机由于单机耗电量较低，其节能方面的研究一直未能得到充分重视。实际上，这些小型风机虽然单台的耗电量很小，但是数量巨大，因此降低这些小型风机的耗电量同样具有十分深远的经
13、济意义受山东美陵美力达风机有限公司的委托，研制一种驱动小功率风机的永磁无刷直流电机。这产品主要应用于空调机组、冷暖风机、建筑物内排风扇等场合，风轮与外转子永磁无刷直流电机的转壳固定，通过电源控制器对电机进行无级调速，以达到风机的调速节能目的，提升风机的整体性能，增强市场竞争力。12风机的调速节能原理风机的基本节能方法有：(1)减少运行时间；(2)采用高效机器及设备(包括控制装置、电动机、传动装置、风机等)；(3)减少空气动力。显然方法(2)、(3)是风机节电的根本方法对风机进行调速控制从而调节风量，可以减少空气动力，达到明显的节能效果，进一步采用高性能的风机驱动电机则可使风机的节能效果更明显。
14、因此高效高功率因数的永磁无刷直流电机调速驱动系统，作为风机的驱动系统具有明显的节能优势。对风机进行调速控制属于减少空气动力节电方法，是一种较好的节能方式。它和一般常用的调节风门控制风量方法比较有着明显的节电效果图卜1中曲线山东大学硕士学位论文l为风机在恒速下风压一风量(弘Q)特性，曲线2为恒速下功率一风量(LQ)特性，曲线3为管网风阻特性(风门开度全开)。假设风机在设计时工作在彳点效率最高，输出风量9为100，此时轴功率l与Ql、目的乘积面积衄DQ2成正比。根据生产工艺要求，当风量从Ql减到Q2(例如5096风量)时，如采用调节风门方法相当于增加管网阻力，使管网阻力特性变为曲线4，系统由原来的
15、工作点彳变为新的工作点占运行。图中看出，风压反 圈11风机的特性曲线Q而增加，轴功率与面积丑H2DQ成正比，减少不多。如采用调速控制方式，风机转速由以1降到啦，根据风机参数的比例定律，画出在转速n2下的风压一风量(弘Q)特性如曲线5所示，可见在满足同样风量Q2的情况下，风压玛大幅度降低，功率3(相当于面积C两DQ2)随着明显减少，节省的功率损耗6r-6踢与面积肼聊五C成正比，节能的经济效益十分明显。由流体力学知道，风量Q与转速的一次方成正比，风压日与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比，当风量减少，风速下降时其功率降低很多。譬如风量下降到80，转速也下降到80，则轴功率下降到51，如风
16、量下降到50，功率可下降到额定功率的13，当然还需要考虑由于附加控制装置的效率影响，即使这样，节电数字也很可观。对某一风机的调速调节风量和挡风门调节风量的对比试验表明，当取Q=O4m2g、轴功率1100w，则风量调至80时，输入功率节省46，则在风量调至50时，节电77。尽管风机容量较小，电机风机效率较低，但节电趋势十分明显，节能效果相当可观IlJ。因此对风机进行调速调风量具有明显的节电效果。13风机调速的现状工农业中大量使用的风机、水泵亦需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀门的开度来完成的，这其中浪费了大量的电能。对于大功率的风机、水泵，人们用变频器调节异步电动机转速以调节它们的流量，并取
17、得可观的节能效果。小型风机从1千瓦到10千瓦之间居多，作为风机电机的感应电机，功率越小，其功山东大学硕士学位论文率因数和效率也就越低，因此对这一功率范围的风机即使采用变频调速方式进行风量的调节，其节能效果也受到限制。在小型风机(1千瓦以下)的应用方面，目前永磁无刷直流电机已经成功应用在家用空调的小型轴流风机、贯流风机、电风扇和排气风扇上上世纪九十年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速的优点促进了变频空调的发展。近年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果和进一步降低了噪声，在相同的额定功率和
18、额定转速下，设单相异步电动需要的体积和重量为10096，则永磁无刷直流电动机的体积为386，重量为348，用铜量为20996，用铁量为365，效率提高1096以上，而且调速方便，价格和异步电动机变频调速相当。永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调剂的升级换代。据有关数据表明：采用调速空调比普通空调节电2096左右由于电机效率的大幅度提高，使小型风机的耗电量明显下降；同时这一功率级别的永磁无刷电机及其驱动系统的成本很低，其应用前景为广大的家用空调制造厂看好。目前调速空调已占市场总数30以上嘲。仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式，它的体积和重量大，
19、效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无刷风机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地使用着无刷风机。这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规格多，外框尺寸从15mm到120吼共有12种，框架厚度有6蛐到18姗共7种，电压规格有直流15v、3v、5v、12v、24V、48V，转速范围从2100rpm到14000rpm，分为低转速、中转速、高转速和超高转速4种，寿命30000小时以上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。在110千瓦之间功率范围的永磁无刷直流电机在控制上远比极小功率等级的永磁无刷直流复杂得多，而且电机制造上通常采用磁性能很高但价格极高的稀土永磁材料
20、，因此电机及控制成本大大提高，导致应用广泛的这一功率范围内的风机未采用永磁无刷直流电机驱动。正如前所述，这一功率等级范围内的风机采用永磁无刷直流电机在节能效果上远高于感应电机的变频调速，因此如何降低永磁无刷直流电机及其驱动系统的山东大学硕士学位论文成本成为其在这一功率范围内风机应用的关键。实际上，永磁无刷直流电机的控制远比感应电机控制简单，其控制器成本也只会低于感应电机控制器，但是采用高性能稀土永磁材料的永磁无刷直流电机尽管可以得到比感应电机高30的功率密度，但由于昂贵的磁体材料，使得永磁无刷直流电机本身的成本为感应电机的2倍以上3】，这无疑限制了永磁无刷直流电机在小功率等级范围风机上的应用。
21、铁氧体永磁与稀土永磁相比，尽管磁性能低，但价格极为低廉，因此铁氧体永磁电机与稀土永磁电机相比，尽管功率密度、转矩密度低，但成本更低；由于在风机中有很大的空间用于安装驱动电机，电机的功率密度、转矩密度低并不是主要矛盾，重要的是电机的性能及成本。因此铁氧体永磁电机在小功率风机的驱动中具有应用潜力，对其研究开发具有重要意义。到目前为止，铁氧体永磁电机只在1个千瓦功率等级下存在，未见超过1个千瓦的铁氧体永磁电机，特别是铁氧体永磁无刷直流电机。14永磁无刷直流电机用于风机驱动的优越性永磁无刷直流电机由于省去了励磁用的集电环和电刷，在结构上大大简化。同时不但改善了电机的工艺性，而且电机运行的机械可靠性大为
22、增强，寿命增加。永磁电机的气隙磁密可大大提高，电机指标可实现最佳设计，其直接效果就是电机体积缩小，重量减轻。不仅如此，较其它电机而言，永磁电机还具有非常优异的控制性能。这是因为：其一，由于永磁材料的高性能而使电机的力矩常数、转矩惯量比、功率密度等大大提高。通过合理设计又能使转动惯量、电气及机械时间常数等指标大大降低，作为伺服控制性能的主要指标有了很大改善。其二，现代永磁电机中，永磁磁路的设计已较完善，加上永磁材料的矫顽力高，因而永磁电机的抗电枢反应及其抗去磁的能力大大加强，电机的控制参量随外部扰动影响大大减小。其三，由于用永磁体取代了电励磁，减少了励磁绕组及励磁磁场的设计，因而减少了励磁磁通、
23、励磁绕组电感、励磁电流等诸多参数，从而直接减少了可控变量或参量。综合以上各因素可以说永磁电机具有优异的可控性。目前大容量风机调节风量已有很多采用变频调速方式，这一类变频器主要依赖进口，价格昂贵。目前1kw以下功率等级的风机，特别是家用空调等的风机已有永磁无刷直流电机驱动，并采用调速调风量方式。l10kW功率范围的风机用量巨大，基本采用感应电机驱动，并采用调节风口开度方式调节风量。对于这一山东大学硕士学位论文功率范围内的风机，采用永磁无刷直流电机驱动替代原先的感应电机驱动具有巨大的优越性。(1)损耗小、效率高永磁无刷直流电机采用永磁体励磁，消除了感应电机励磁电流产生的损耗；同时永磁无刷直流电动机
24、工作于同步运行方式，消除了感应电机转子铁心的转频损耗。这两方面使永磁无刷直流电机的运行效率远高于感应电机，小容量电机的效率提高更明显(2)功率因数高由于永磁无刷直流电机的励磁磁场不需要电网的无功电流，因此其功率因数远高于感应电机，永磁无刷直流电机可以运行于1功率因数，这对小功率电机极为有利。永磁无刷电机与感应电机相比不但额定负载时具有更高的效率和功率因数，而且在轻载时更具有优势。(3)调速性能好、控制简单与感应电机的变频调速相比，永磁无刷直流电机的调速控制不但简单，而且具有更好的调速性能(4)逆变器容置低，因此逆变器成本低永磁无刷直流电动机需要矩形波电流，逆变器持续运行时的电流额定值指的就是这
25、个矩形波的峰值。感应电机需要正弦波电流，逆变器持续运行时的电流额定值一般指的是这个正弦波的有效值。为保持逆变器对电动机电流的控制能力，逆变器直流电压与电动机感应电动势间应有足够的差值。因此永磁无刷直流电动机梯形波感应电动势和感应电动机正弦波感应电动势可以达到的峰值都受到逆变器直流电压的限制。在这种情况下，若假定永磁无刷直流电动机和感应电动机电流的峰值相等，则前者功率输出要比后者高出33，也就是说，同一台整流器，逆变器可以驱动比感应电机输出功率高出33的永磁无刷直流电动机。15论文的主要工作本论文的主要内容如下：1基于外转子风机驱动，首先简略给出永磁无刷直流电机结构、原理及一般设计要求山东大学硕
26、士学位论文2在考虑电机制造成本的基础上，研究铁氧体永磁无刷直流电机的设计特点和要求。3最后根据风机电机的驱动要求，设计制造外转子风机用铁氧体永磁无刷直流电机样机。4针对风机用电机驱动系统的调速及各种保护要求，基于降低成本的原则，设计制造永磁无刷直流电机的驱动系统。5最后对整体样机系统进行驱动实际风机的实验。最后得出研究结论：铁氧体永磁无刷直流电机用于驱动小功率风机具有良好的性能、较低的成本，具备进行产业化生产的综合优势。山东大学硕士学位论文第二章永磁无刷直流电机的基本原理21永磁无刷直流电机的概况211永磁无刷直流电机的发展历史无刷电动机是诞生于20世纪60年代后期，伴随着永磁材料、微电子及电
27、力电子技术、电动机制造技术的发展而产生的一种新型电动机，同时也是一种典型的机电一体化产品。它主要由电机本体、位置传感器及换向器组成，与传统电动机相比，其转子采用永磁体作为励磁，故又称为永磁无刷电机。它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，即保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能，又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点，因此在各个领域得到了广泛应用。永磁无刷电动机可分为方波(注入电动机本体定子绕组为方波电流)驱动的无刷直流电动机(PMBDCM)和正弦波驱动的永磁同步电动机(PMSM)两种类型。由于采用永磁体取代了原同步电动机转子中的励磁绕组，因而省去了励磁线圈、电
28、刷和滑环。与传统有刷直流电动机相比，PMBDCM用电子换向取代原直流电动机的机械换向，从而省去了机械换向器。由于PMBDCM的定子电流为方波驱动，在相同的峰值电流和峰值电压下，方波电流和方波磁场相互作用产生的转矩比正弦波电流和磁场产生的转矩要大，并且相同条件下逆变器获取方波要容易一些，此外PMBDCM具有直流电动机的调速性能，它的控制不仅较PMSM简单，效果也更好，因此PMBDCM更赢得人们的广泛关注【4】。在国外，PMBDCM的生产和应用取得了很大进展，如日本仓毛电器公司研究出的KRK系列产品，西德西门子公司推出的AD系列产品。在大功率无刷直流电机方面，工业级的无刷直流电动机及驱动系统已达到
29、兆瓦级的功率范围，特别是在美国，一些公司的P船c蹦产品已占据了不同的应用颁域，例如nJNK、uSA的产品主要应用于工厂自动化领域，PAPsT的产品主要应用于仪器设备领域，KOIJ小稍0RG的产品主要应用于国防和航天领域。德国制成六相变频电源供电的1095kW、230rlnin的稀土永磁电动机，用于舰船推进。与过去使用的直流电动机相比，体积和总损耗都大大的降低，而且省去了电刷和换向器，维护也山东大学硕士学位论文方便。法国开发的100kw无刷直流电动机，在线圈端侧装入逆变器，重量只有28kg-我国无刷直流电动机的研制工作起步较晚，始于20世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。我国的P
30、MBDcM在小功率(几十瓦到几百瓦)范围内已从科研转向生产，如西安微电机研究所研制的45zw二1，55zw二1，70Zw二l系列产品，上海交大研制的卫星上专用的PMBDCM，上海微电机研究所的无刷直流力矩电动机等，但大功率的无刷直流电动机尚处于研究阶段。在我国首先大批量生产和应用的无刷直流电机是风机系列产品，这种产品具有体积小，效率高、长寿命、无噪音、无干扰、易调速等优点，一经问世就获得大量应用，目前在机座号上完全与交流型兼容，有逐步取而代之的可能。其后又逐步开发了ST、TS、ASM等系列产品。近年来我国在家用电器和车用电机方面亦开发了很多新品，在军用方面也已开发出各种用途的永磁无刷直流电动机
31、，广泛地用于航空、舰船和特殊使用环境的设备上，为我国宇航和国防事业现代化作出了重要贡献。但由于各方面的条件制约，特别是元器件工艺水平与国际上尚有较大差距，目前我国无刷直流电动机的综合指标仍低于国际水平。212永磁无刷直流电动机技术的发展趋势永磁无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，由电动机本体、位置传感器和电子开关线路组成，它的发展与永磁材料、电力电子技术、计算机控制技术和检测技术的发展密切相关。而这些技术作为极具发展潜力的新兴技术，为永磁无刷直流电机技术的高速发展提供不竭的动力。(1)永磁材料的发展与传统交、直流电动机相比，永磁无刷直流电动机的结构特点之一就是转予磁极是由永磁材料组成，因
32、此，永磁材料性能的优劣将直接影响到永磁电动机的磁路尺寸、电动机本体体积、成本及其功能指标和运行特性等，可以说永磁材料技术是永磁无刷直流电动机最为重要的物质基础和支撑技术之一。在早期，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：从最早的铝镍钴，到铁氧体，再到后来的钐钴合金，但这些磁性材料或者磁能积低，价格昂贵，限制了永磁无刷直流电机性能的进一步提高及其应用范围的推广。因此自上世纪80年代起，投入大量人力物力致力于这方面的研究和开发，并取得了许多可喜的成绩，其技山东大学硕士学位论文术水平已达到世界先进水平。这些研究都极大地推动了永磁材料工业的产业化进程和永磁材料技术的发展，并进而加速了高性价比
33、永磁材料的不断问世。到1983年，日本研究人员发明了铁钕硼稀土永磁材料，引起了磁性材料的一场革命，它磁能积高，价格便宜，原材料来源有保障，在永磁无刷电机制造中迅速得到推广，使电机的体积、重量大大减少，加工工艺简化嘲。同时电机的电枢绕组也因磁性材料性能的提高而使绕组线圈大大减少，从而提高了电机的效率。1990年代以后，铁钕硼永磁材料得到了大范围的应用，在已制成的永磁无刷直流电机转子永磁材料中几乎占据了一半以上，从而为高性能永磁无刷直流电动机的大量诞生奠定了坚实的物质基础；同时，随着微电机制造工艺技术尤其是微细加工技术的快速发展，在减少电动机本体制造成本及抑制齿槽转矩脉动上取得了令人可喜的成果。今
34、后，随着作为21世纪新兴技术之一的“新材料技术”的蓬勃发展，必将进一步加快永磁材料工业发展的速度，一些更高性价比的永磁材料也将相继问世，从而进一步推动永磁无刷直流电动机朝着高性能，多品种化方向发展，同时也将使得中、大容量永磁无刷直流电动机进入大范围实用化阶段，从而大大扩展永磁无刷直流电动机的应用领域。(2)驱动和控制技术的发展永磁无刷直流电动机是一个采用大功率电子开关元件组成的逆变驱动电路供电的永磁同步电动机，电力电子技术和微型计算机技术是永磁无刷直流电动机发展的最为重要的支撑技术之一，其中大功率半导体器件的发展严重制约着永磁无刷直流电动机的发展水平电力电子技术自20世纪50年代后期诞生以来，
35、发展速度很快，其主功率器件经历了从最初的晶闸管一GIRMOs肼一IGBT，从而使永磁无刷直流电动机具有更大的容量和更高的过载能力。特别是1970年以来，各种高速、全控型器件先后问世，使电力电子技术朝着全控化，集成化、高频化和多功能化方向发展，为逆变器实现智能化、高频化和小型化等创造了条件f6】【8】在PwM技术中采用功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极性晶体管(IGBD，开关频率可达10妊乜以上，电磁噪声和电流波形都得到了改善。这些为永磁无刷直流电动机的驱动电路性能的提高开辟了道路。微型计算机自20世纪60年代后期诞生以来，发展速度十分迅猛，其应用领域几乎成几何级数增长，如今已成功进入
36、国民经济及社会发展的各个领域，而山东大学硕士学位论文电机控制也不例外永磁无刷直流电动机性能的改善和提高，除了与制成电动机本体尤其是转子永磁材料及电子驱动电路有关外，更与其控制器密切相关，而由于永磁材料和功率半导体器件性能的提高受到许多客观因素的制约和影响，在一定条件下具有一定的局限性，因此自20世纪80年代以来随着微型计算机技术、控制技术、控制理论等的飞速发展，人们更多地从提高控制器性能这条途径着手来提高永磁无刷直流电动机的性能，并取得了一些可喜的成果。特别是电机控制专用集成电路的出现，保证了无刷直流电动机性能的快速提高。此外先进的控制方法被相继引入无刷电机控制器，从而推动着永磁无刷直流电动机
37、朝着高智能化、柔性化、全数字化方向发展。为其进入数字化时代开辟了新纪元。(3)位置检测技术的发展永磁无刷直流电动机自身是一个闭环系统，必须通过转子磁极位置信号来做为电子开关线路的换相信号，因此准确检测转子磁极位置并根据转子位置准确切换功率器件的触发组合状态是控制无刷直流电机正常运行的关键。而实现永磁无刷直流电动机的转子磁极位置检测有两种方式：直接位置检测(有位置传感器)和间接位置检测(无位置传感器)阱【】。早期大都采用直接位置检测法，将转子上安装位置传感器来实现对转子位置的实时检测，常用的位置传感器有霍尔元件、增量式编码器、绝对值光电编码器和旋转变压器等，这种是最直接有效的方法。但由于永磁无刷
38、直流电动机体积偏小尤其是小功率伺服驱动系统，往往直接在转子上安装上述位置传感器有些不便。因此无位置传感器的永磁无刷直流电动机成为人们的研究目标。其中最简单的一种是根据永磁无刷直流电动机本体，通过辩识的方法来实现转子磁极位置的阃接测量，即利用检测定子绕组的感应电动势过零点来间接获得转子磁极位置，故称间接法。与直接法相比，它省去了位置传感器，从而简化了电动机本体结构的复杂性，特别适合于小尺寸、小容量永磁无刷直流电动机。但由于反电势大小和电机的转速成正比，因而在起动和低速运行时，必须采取其他方法。通常是按它控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，直至转速足够大，再切换至无刷直流电动机运行状态。但外同
39、步运行的成功与否和负载的大小、形式直接相关，如负载的惯性很大，则对外同步的频率控制显得尤为困难。同时无传感器位置检测也难以满足精度和实时性的要求，但20世纪80年代以后，随着微机技术的快速发展，使得无转子磁极位置传感器的永磁电机进山东大学硕士学位论文入实用化阶段。另外，随着多功能传感器的问世，在永磁无刷直流电动机伺服驱动系统中已有用一个传感器同时检测转子磁极位置、速度及伺服位置的实际应用成果，从而大大简化了系统结构。相信今后随着检测技术的进一步发展，更为先进的速度及转予位置辩识方法必将推动无传感器永磁无刷直流电动机走向实用化。22永磁无刷直流电机的基本结构无刷直流电机又名自控式同步电机，实质上
40、可看作是一台用电子换相装置取图21永磁无刷直流电机系统的组成代机械换相的直流电机。无论从结构或控制方式上来看，无刷直流电动机与传统的直流电机都有很多相似之处：用装有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极，用具有多相绕组的定子取代电枢，由逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。这样就得到了无刷直流电机。无刷直流电机一般由永磁电动机本体、逆交器和转子位置传感器组成。如图21所示221电动机本体电动机本体通常由永磁同步电动机构成。其分类较多：按电枢位置的不同可分为内转子式(常规式)、外转子式；按供电电流波形的不同分为正弦波永磁同步电机、矩形波永磁同步电机等等。对于正弦波BLDcM
41、希望在绕组中获得正弦波形式的反电势，其绕组形式采用短距、分布或分数形式，以尽可能削弱其它次谐波，从而保留基波。而方波BLDcM为了获得顶宽为1200的方波或梯形波，定子山东大学硕士学位论文绕组采用整距、集中的形式，以保留气隙磁密中的其它谐波。BLDcM和PMsM相比，具有瞻显的优势，反馈装置简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和控制器的潜力得到充分的发挥。正是由于这些原因，永磁无刷直流电机的应用和研究受到了更加广泛的重视。222转子位置传感器在无刷直流电机中，位置传感器与电机转轴相联结，起着测定转子磁极位置的作用，为电子换向线路提供正确的换向信息。目前，BLDcM系统的位
42、置传感器多为电磁式、光电式和磁敏式。也有少数用正余弦旋转变压器和编码器等位置传感器的，但这些元件成本较高、体积较大、配套线路复杂，在一般无刷直流电机中较少采用。电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置得，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型。它具有输出信号大，工作可靠、寿命长、对环境要求不高等优点，但这种传感器体积较大，信噪比较低，同时其输出波形为交流，一般需要经整流、滤波方可使用。光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等部件组成，有绝对式编码器和增量式编码器之分。它具有定位精度高、价格便宜、易加工等特点，但对恶劣环境的适应能力较差，
43、输出信号沿需加以整形电路处理。磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的原理制成。常见的类型有霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等。一般说来，它对环境适应能力较强，输出信号沿好，成本低廉，但精度不高。223驱动控制电路控制器的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，去触发末级功率开关管。它的输出频率不是独立调节的，而受控于转子位置检测信号。BLDcM由于采用了自控式逆变器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器输出之间不会产生振荡和失步。这也是BLDcM的重要优点之一。23无刷永磁直流电机的运行原理231主回路基本
44、类型山东大学硕士学位论文无刷永磁直流电机三相绕组主回路基本类型有三相半控式和三相全控式两种。三相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电l3的时间，另外23时间处于断开状态。但是绕组没有得到充分的利用，同时转矩波动较大综合分析后，三相全控式电路综合性能好，本系统采用这一控制方式。三相全控式电路按通电方式分又分做二二通电方式、三三通电方式两种。232无刷电机运行原理以三相全控式电路、二二通电方式说明电机运行原理。系统原理如图22所示：+亏岛如，同吊坩R盱型、邕历周必些图22三相全控桥两两通电电路 图23相电流和相电势波形为使电机获得最大转矩，取得理想的运行性能，电机绕组中
45、的相电流和相电势必须满足如图23所示的关系，即电流为120。宽度的方波，在持续120。电角度后，有600的截止区，然后反方向通电1200方波电流，相电势应为平顶宽度超过1200的梯形波，而且同一相的电流和电势应为同相位，只有这样才能保证电机具有最大的平均电磁转矩，最小的纹波转矩，而纹波转矩是产生电机振动和噪音的主要原因之一。在该电路中电动机的绕组为Y联结。T1、T2T5为六个功率器件，起绕组的开关作用。同时我们采用两两导通方式，所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔l6周期(600电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通1200电角度。各功率管的导通顺序T1T2一T2
46、T3一T3T4一T4T5一T5T6一T6TlTl亿当功率管TlT2导通时，电流从T1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2管回到电源山东大学硕士学位论文图24给出了两种开关状态及磁场旋转示意图。图24(a)为Tl与T6导通时的情况，由于Tl与T6持续导通有一段时间，流经A、B相绕组的电流也将持续一段时间，那么如图24(a)所示的电枢磁势的方向和幅值也将有一段时间内保持不变。但是转子是连续旋转的，转子励磁磁势扁也将随之连续旋转，它由起初是昂所在的位置逐渐转到尼所在的位置。而当转子转到尼的位置时，由于T6已导通1200电角度，T6和T2在控制信号的作用下要进行换流，由原来的T6与T1导通变换为T
47、1与T2导通，见图24(b)所示。(砷 姊图24开关顺序及磁场旋转示意图此时，电枢磁势从图24(a)的位置跳跃式地步进600电角度，电枢磁势，l和励磁磁势，o之间的相位差又恢复到1200电角度，和图24(a)所示的Tl管开始导通时的情况相同。如此重复进行，每当磁极转动，通过位置传感器、控制电路、驱动电路使相应的功率管导通、切断，从而对电机电枢(定子)进行一次绕组切换来改变电枢磁场，使稳定运转使600。，o和，a的相位差p始终在60。舻1200的范围内，其平均值相当于处在正交(相差9吩运行状态，这样在同样的电枢电流下可使转矩最大。依靠这种旋转电枢磁场和励磁磁场的相互作用，使得电机能够连续地顺时针
48、旋转。电机逆时针旋转时的分析与顺时针相同，只是逆时针旋转的开关管导通逻辑序列与顺时针时相反。23。3无刷电机调速方式电机速度调节方式有脉冲幅值调制PAM(Pulse AIIl_plimde Modulation)和脉冲宽度调制PwM(Pulse wid廿l Modulation)两种。山东大学硕士学位论文在PAM方式中，直流母线电压可调，逆变器功率开关器件只负责电机换相控制，通过调节直流母线电压的大小调节电机转速。在PwM方式中，直流母线电压不可调，逆变器功率开关器件不但负责无刷直流电机的换相控制，而且通过斩波调节电机输入电压的平均值，从而达到调节转速的目的。另外，逆变器也可采用SPwM(si
49、nl啪idal PulWidth Modul撕on)技术或滞相环控制技术等调制出正弦电压并与电机反电动势保持适当的相位关系，产生有效电磁转矩，但转矩波动往往较大，实际应用中采用这种调制方式的不多。当直流母线电压只有十几伏或几十伏时，多用PAM调节方式，如牙钻、空调室内风机用无刷直流电机。当直流母线电压为上百伏时，多用PWM调节方式，即通过改变PwM控制脉冲的占空比来调节输入电机的直流平均电压，如电动汽车、洗衣机、空调室外压缩机等用的无刷直流电机。本系统是通过调节逆变器功率器件的PwM触发信号的占空比来改变输入电机的平均电压而实现调速的。24本章小结本章着重介绍了永磁无刷直流电动机的工作原理和基本构成。并在此基础上，给出了实验样机的系统基本组成：逆变器采用三相全控式电路、二二通电方式；用位置传感器控制功率元件的导通顺序；通过调节逆变器功率器件的PwM触发信号的占空比来调节电机的转速，达到风机调速节能的目的。山东大学硕士学位论
