1、1稀土永磁無刷直流電動機Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor ( BLDCM )湖北工業大學稀土電機及控制研究所湖北工業大學稀土電機及控制研究所2稀土永磁無刷直流電動機 Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor， BLDCM 一、無刷電機概述 二、無刷電機原理與特性 三、無刷電機控制 四、無刷電機轉矩脈動 五、無刷電機電磁設計 3稀土永磁無刷直流電動機 一、無刷電機概述Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor，BLDCM4無刷直流電動機

2、概述1. 無刷直流電動機的應用2. 無刷直流電動機發展歷史3. 無刷與有刷直流電動機比較4. 無刷直流電動機的特點5. 無刷直流電動機系統組成5無刷直流電動機概述1. 無刷直流電動機的應用6計算機中的無刷電機7計算機中的無刷電機8電動自行車中的無刷電機9家用電器中的無刷電機10本田 HEV INSIGHT11豐田混合電動汽車開發歷程12本田 Insight 發動機和無刷電機13并聯式混合動力系統14本田CIVIC的動力分配策略15電動汽車中的無刷電機電機及控制器電機及控制器16電動汽車中的無刷電機永磁體永磁體永磁體永磁體外轉子結構的無刷電動機外轉子結構的無刷電動機 17外轉子混合勵磁無刷電機軸

3、軸內定子鐵心內定子鐵心外外轉子鐵心轉子鐵心永磁極永磁極鐵極鐵極勵磁繞組勵磁繞組18電動汽車中的無刷電機 電機、控制器和減速箱一體化結構電機、控制器和減速箱一體化結構控制器控制器電電 機機減速齒輪減速齒輪192. 無刷直流電動機 發展歷史無刷直流電動機概述20無刷直流電動機發展歷史 有刷直流電動機 有刷直流電動機具有良好的起動和有刷直流電動機具有良好的起動和調速性能，但其存在換向器和電刷，導調速性能，但其存在換向器和電刷，導致換向火花、電磁干擾、可靠性差、造致換向火花、電磁干擾、可靠性差、造價高等一系列問題。價高等一系列問題。21無刷直流電動機發展歷史 異步電動機 異步電動機結構簡單、運行異步電

4、動機結構簡單、運行可靠、價格便宜，但其調速和起可靠、價格便宜，但其調速和起動性能不佳。動性能不佳。22無刷直流電動機發展歷史 同步電動機 同步電動機具有良好的運行同步電動機具有良好的運行性能，但其起動性能不佳。性能，但其起動性能不佳。23無刷直流電動機發展歷史 上世紀三十年代，有人提出了用上世紀三十年代，有人提出了用電子換相取代機械換向的無刷直流電電子換相取代機械換向的無刷直流電動機概念，但當時尚無理想的電子換動機概念，但當時尚無理想的電子換相器件。相器件。24無刷直流電動機發展歷史 1955 年，美國年，美國 D. 哈利森等人首次哈利森等人首次發明了應用晶體管代替機械換向器的無發明了應用晶體

5、管代替機械換向器的無刷直流電動機，但當時沒有電機轉子位刷直流電動機，但當時沒有電機轉子位置檢測器件，該電機沒有起動能力。置檢測器件，該電機沒有起動能力。25 1962年，人們使用霍爾元件來檢測年，人們使用霍爾元件來檢測轉子位置并控制繞組電流換相，無刷直轉子位置并控制繞組電流換相，無刷直流電動機達到實用化，但受到晶體管容流電動機達到實用化，但受到晶體管容量的限制，電機容量相對較小。量的限制，電機容量相對較小。無刷直流電動機發展歷史26無刷直流電動機發展歷史 三大技術有力推動了永磁無刷直流電動機的快速發展 功率半導體器件功率半導體器件 計算機控制技術計算機控制技術 高性能稀土永磁材料高性能稀土永磁

6、材料27無刷直流電動機發展歷史 70 年代以來，隨著新型功率半導體器件（如年代以來，隨著新型功率半導體器件（如GTR，MOSFET，IGBT，IPM）相繼出現，計算機）相繼出現，計算機控制技術（單片機、控制技術（單片機、DSP，新的控制理論）的快速，新的控制理論）的快速發展，以及高性能稀土永磁材料（如發展，以及高性能稀土永磁材料（如 釤鈷、釹鐵硼）釤鈷、釹鐵硼）的問世，無刷直流電動機得到快速發展，容量不斷的問世，無刷直流電動機得到快速發展，容量不斷增大，并獲得了越來越廣泛的應用。增大，并獲得了越來越廣泛的應用。28無刷直流電動機概述3. 無刷直流電動機 的特點29無刷直流電動機分類 無刷直流電

7、動機分為無刷直流電動機分為方波方波和和正弦波正弦波電流驅動。電流驅動。正弦波電流驅動的無刷電動機名稱比較多，英、正弦波電流驅動的無刷電動機名稱比較多，英、美稱為永磁同步電動機（美稱為永磁同步電動機（PMSM），或無刷交流），或無刷交流電動機（電動機（BLACM），日本、歐洲一些國家則稱），日本、歐洲一些國家則稱之為交流伺服電動機（之為交流伺服電動機（AC Servo）” 。30無刷直流電動機分類電動機交流電動機直流電動機異步電動機同步電動機無刷直流永磁同步磁滯步進磁阻混合永磁變磁阻單相多相永磁電勵磁永磁開關磁阻同步磁阻換向式單極式永磁電勵磁串勵并勵復勵多相單相籠型繞線電容式罩極式電阻式電容起動

8、電容運行電容運行31無刷直流電動機分類電動機交流電動機直流電動機異步電動機同步電動機無刷直流永磁同步磁滯步進磁阻混合永磁變磁阻單相多相永磁電勵磁永磁開關磁阻同步磁阻換向式單極式永磁電勵磁串勵并勵復勵多相單相有刷直流32有刷直流電動機的基本結構 BearingRotor windingCommutator Fan PM Poles Brushes33有刷直流電動機的基本結構稀土永磁有刷直流電動機稀土永磁有刷直流電動機NS轉樞式34 內轉子，外定子內轉子，外定子 外轉子，內定子外轉子，內定子無刷直流電動機基本結構XCYANBZNSAXBYCZSN轉場式35稀土永磁直流電動機結構比較內轉子整數槽無刷

9、直流電動機內轉子整數槽無刷直流電動機13618q36稀土永磁直流電動機結構比較內轉子分數槽無刷直流電動機內轉子分數槽無刷直流電動機21369q37稀土永磁直流電動機結構比較外轉子結構稀土永磁無刷直流電動機外轉子結構稀土永磁無刷直流電動機10333027q38無刷直流電動機定義 無刷直流電動機 無刷直流電動機是指沒有電刷等無刷直流電動機是指沒有電刷等機械換向裝置，但具有有刷直流電動機械換向裝置，但具有有刷直流電動機（機（DCM）特性特性的電動機。的電動機。39無刷與有刷直流電動機比較 無刷直流電動機與有刷直無刷直流電動機與有刷直流電動機有相同的運行機理。流電動機有相同的運行機理。40無刷與有刷直

10、流電動機比較 無刷直流電動機與有刷直無刷直流電動機與有刷直流電動機有相同的設計思想和流電動機有相同的設計思想和設計方法。設計方法。41無刷與有刷直流電動機比較 有刷直流電動機磁極磁有刷直流電動機磁極磁場與電樞磁場始終處于正交場與電樞磁場始終處于正交狀態。狀態。42無刷與有刷直流電動機比較NSnFfFa43無刷與有刷直流電動機比較 無刷直流電動機磁極磁場與電樞磁無刷直流電動機磁極磁場與電樞磁場處在某一變化范圍內。如三相無刷直場處在某一變化范圍內。如三相無刷直流電動機流電動機 60 120范圍內變化。范圍內變化。44無刷與有刷直流電動機比較 相同條件下，相同條件下，無刷直流電無刷直流電動機轉矩脈動

11、比有刷直流電動動機轉矩脈動比有刷直流電動機大，電磁轉矩小。機大，電磁轉矩小。45無刷與有刷直流電動機比較 BLDCM 用電子換相取代用電子換相取代 DCM 的機械換向，因而沒有電的機械換向，因而沒有電刷與換向器。刷與換向器。 46無刷與有刷直流電動機比較 通常情況下，通常情況下，BLDCM 的電的電樞繞組在定子上，勵磁（永磁體）樞繞組在定子上，勵磁（永磁體）在轉子上，與在轉子上，與 DCM 中的定轉子互中的定轉子互換了位置。換了位置。47無刷與有刷直流電動機比較 通常通常 BLDCM 帶有轉子位置檢帶有轉子位置檢測傳感器，而測傳感器，而 DCM 則不需這種位則不需這種位置檢測裝置。置檢測裝置。

12、48無刷直流電動機概述4. 無刷直流電動機 的特點49無刷直流電動機主要特點 永磁無刷結構 電機免維護，可高速運行，因此電機免維護，可高速運行，因此可降低電機體積和重量，具有高功率可降低電機體積和重量，具有高功率和轉矩密度和高效率和轉矩密度和高效率。50無刷直流電動機主要特點 容易實現轉矩控制 無刷直流電機的電磁轉矩無刷直流電機的電磁轉矩 Tem= KT Ff Fa sin 無刷直流電動機具有與直流電動機無刷直流電動機具有與直流電動機 相似的轉矩特性相似的轉矩特性。51無刷直流電動機主要特點dtdnGDTTLem3752TemTLn電力拖動系統轉動方程52無刷直流電動機主要特點異步電動機的電磁

13、轉矩 Tem=CTIa cos 一般情況下，一般情況下，Ff 、Fa非正交，非正交，即即 、 Ia 之間存在耦合關系。之間存在耦合關系。53無刷直流電動機主要特點 直流電動機電磁轉矩 Tem= CT Ia = CT Ff Fa54無刷直流電動機主要特點 無刷直流電動機電磁轉矩 Tem= KT Ff Fa sin 一般情況下一般情況下,為為90（或平均值為（或平均值為90），），調節永磁無刷直流電動機電樞電流（電壓）調節永磁無刷直流電動機電樞電流（電壓）便可實現對轉矩的控制。便可實現對轉矩的控制。55無刷直流電動機主要特點 系統成本相對較低 逆變器方波電流容易實現，控制器結逆變器方波電流容易實現

14、，控制器結構較簡單；電機可采用整距集中繞組，制構較簡單；電機可采用整距集中繞組，制造工藝較簡單；轉子位置傳感器結構簡單，造工藝較簡單；轉子位置傳感器結構簡單，成本低。成本低。5690年代以來永磁材料發展狀況永磁材料的磁能積永磁材料的磁能積釹鐵硼釤 鈷鐵氧體57稀土永磁無刷直流電動機特點 可明顯降低電機重量，減小其體積；可明顯降低電機重量，減小其體積； 縮短轉子外徑，增加氣隙長度，進縮短轉子外徑，增加氣隙長度，進 而改善了電機的有關性能；而改善了電機的有關性能； 產生近似矩形波的氣隙磁場，可設產生近似矩形波的氣隙磁場，可設 計成方波無刷直流電動機；計成方波無刷直流電動機；58稀土永磁無刷直流電動

15、機特點 抗電樞反應去磁能力強，更適合抗電樞反應去磁能力強，更適合 突然反轉、堵轉等運行工況；突然反轉、堵轉等運行工況； 退磁曲線線性、可逆，簡化了設退磁曲線線性、可逆，簡化了設 計和分析。計和分析。595. 無刷直流電動機 系統組成無刷直流電動機概述60無刷直流電動機系統組成 無刷直流電動機系統組成 1） 控制器控制器 2） 電機本體電機本體 3） 霍爾位置傳感器霍爾位置傳感器61無刷直流電動機系統組成直流電源直流電源控制器控制器電動機電動機轉子位置傳感器轉子位置傳感器輸出輸出無刷直流電動機系統框圖無刷直流電動機系統框圖62無刷直流電動機系統組成V1V6ACB控制電路驅動電路電 機霍爾位置傳感

16、器控制器ACB136425S逆變電路三相永磁無刷直流電動機系統圖三相永磁無刷直流電動機系統圖63無刷直流電動機系統組成車速保護電路MOS驅動器IR2130扭矩BLDCM過流保護6路MOSFETTMS320LF2407電流采樣輸出電流CAP捕獲位置信號過 壓離合器故障位置信號故障代碼輸出PDPINTCAP SCI6路PWM轉速某稀土永磁無刷直流電動機系統框圖某稀土永磁無刷直流電動機系統框圖64無刷直流電動機系統組成1） 控制器65無刷直流電動機控制器控制器的組成 開關主電路開關主電路 驅動電路驅動電路 控制電路控制電路66無刷直流電動機控制器136425 濾波電路濾波電路 緩沖電路緩沖電路 逆變

17、電路逆變電路接整流橋接整流橋D7C3R3無刷直流電動機開關主電路無刷直流電動機開關主電路67無刷直流電動機控制器 緩沖電路作用 減少開關管承受的尖峰電壓，使開關管減少開關管承受的尖峰電壓，使開關管 工作在安全區域內，提高主電路的可靠性。工作在安全區域內，提高主電路的可靠性。 C3：選用高頻性能好的無感電容選用高頻性能好的無感電容 D7：選用快速恢復二極管選用快速恢復二極管 或選用整體緩沖電路。或選用整體緩沖電路。68無刷直流電動機控制器 逆變電路 分立功率器件：功率晶體管分立功率器件：功率晶體管GTR 、功率功率 場效應管場效應管 MOSFET、絕緣柵晶體管絕緣柵晶體管 IGBT、可關斷晶閘管

18、可關斷晶閘管GTO、MCT 功率集成電路：功率開關管集成塊、智能功率集成電路：功率開關管集成塊、智能 化功率模塊化功率模塊 IPM 69無刷直流電動機控制器 驅動電路作用 將控制電路的輸出信號進行功率放大，將控制電路的輸出信號進行功率放大，并向各功率開關管送去能使其飽和導通和并向各功率開關管送去能使其飽和導通和可靠關斷的驅動信號。可靠關斷的驅動信號。 70無刷直流電動機控制器 驅動電路 美國美國IR公司生產的六路集成驅動芯片公司生產的六路集成驅動芯片（如（如 IR2130），具有集成度高、速度快、），具有集成度高、速度快、 過流欠壓保護、過流欠壓保護、 開關頻率高、開關頻率高、 價格便宜、價格

19、便宜、調試方便等優點。調試方便等優點。 71無刷直流電動機控制器無刷直流電動機無刷直流電動機微機控制系統微機控制系統ucupBLDCMRh驅動電路AD電流檢測三角波發生器PWM發生器電流調節器轉速調節器位置信號處理邏輯控制單元運行狀態判斷反饋電流綜合速度反饋單元PS*nunu*iuiuru72無刷直流電動機控制器 控制電路的作用控制電路的作用（1） 對轉子霍爾位置傳感器輸出的信號、對轉子霍爾位置傳感器輸出的信號、 PWM 調制信號、正反轉和制動信號調制信號、正反轉和制動信號 進行邏輯綜合，給驅動電路提供相應進行邏輯綜合，給驅動電路提供相應 的導通和關斷信號；的導通和關斷信號； 73無刷直流電動

20、機控制器 控制電路作用控制電路作用（2） 產生產生PWM調制信號，使電機電壓隨給調制信號，使電機電壓隨給 定轉速信號的變化而變化；定轉速信號的變化而變化； 對電機進行速度環和電流環的調節；對電機進行速度環和電流環的調節； 實現短路、過流和欠壓等故障保護功能。實現短路、過流和欠壓等故障保護功能。74無刷直流電動機控制器控制電路形式 分立元件全模擬電路：目前少用分立元件全模擬電路：目前少用 專用集成控制電路：功能特定專用集成控制電路：功能特定 數模混合控制電路：廣泛采用數模混合控制電路：廣泛采用 全數字控制電路：發展方向全數字控制電路：發展方向75無刷直流電動機系統組成2） 電機本體76無刷直流電

21、動機電機本體電機本體構成 永磁轉子 定子繞組77無刷直流電動機電機本體 永磁轉子78無刷直流電動機永磁轉子徑向式徑向式 切向式切向式永磁體充磁方向永磁體充磁方向SNNSSSSNN隔磁套隔磁套NNSNNSS隔磁間隙隔磁間隙軸軸79無刷直流電動機永磁轉子稀土磁鋼主磁極稀土磁鋼主磁極實心轉子鐵心實心轉子鐵心軸NSNSSNNS等厚磁極的轉子結構等厚磁極的轉子結構80無刷直流電動機永磁轉子 切向無間隔等厚磁極的轉子結構切向無間隔等厚磁極的轉子結構軸NSNSSNNS81無刷直流電動機永磁轉子軸NSNSNNSS等徑磁極的轉子結構等徑磁極的轉子結構82無刷直流電動機永磁轉子BNSNSB00徑向式徑向式 切向式

22、切向式稀土永磁磁極永磁電機氣隙磁密波形永磁電機氣隙磁密波形83無刷直流電動機空載磁場84無刷直流電動機空載磁場85無刷直流電動機空載磁場86無刷直流電動機空載磁場87無刷直流電動機空載磁場88無刷直流電動機空載磁場89無刷直流電動機空載磁場90無刷直流電動機永磁轉子六極永磁無刷直流電動空載磁場六極永磁無刷直流電動空載磁場91增磁時的CPPM無刷電機 92無刷直流電動機永磁轉子0BcFF0AB123r 1 1空載特性空載特性曲線曲線 2 2負載特性曲線負載特性曲線 3 3永磁體退磁曲線永磁體退磁曲線空載工作點空載工作點負載工作點負載工作點磁鋼的空載和負載工作點磁鋼的空載和負載工作點93無刷直流電

23、動機永磁轉子磁鋼的低溫和高溫工作點磁鋼的低溫和高溫工作點ABrcFF0AB123rcF 1 1負載特性負載特性曲線曲線 2 2永磁體低溫退磁曲線永磁體低溫退磁曲線 3 3永磁體高溫退磁曲線永磁體高溫退磁曲線低消耗溫工作點低消耗溫工作點高溫工作點高溫工作點94 定子繞組無刷直流電動機電機本體95無刷直流電動機繞組型式 整數槽分布繞組（q整數） 分數槽分布繞組（q分數） 變壓器式繞組（螺線管式繞組）96無刷直流電動機整數槽繞組 某三相無刷直流電動機，某三相無刷直流電動機， 定子槽數定子槽數 Z12，極數，極數2P4， q 12/431。97無刷直流電動機整數槽繞組A1,72,84,103,96,1

24、25,11YZBXC601 槽電動勢星形圖槽電動勢星形圖順接線圈順接線圈反接線圈反接線圈A 相相1, 74, 10B 相相3, 96, 12C 相相5, 112, 8三相分相結果（q =1）98無刷直流電動機整數槽繞組單層整距分布繞組展開圖單層整距分布繞組展開圖 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12A B C X Y ZNSNS99無刷直流電動機整數槽繞組A 相雙層短距分布繞組展開圖相雙層短距分布繞組展開圖NSNS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12NAX 100 某三相無刷直流電機，定子某三相無刷直流電機，定子槽數槽數 Z15，極數，極數 2P4， q 15

25、/4354。無刷直流電動機分數槽繞組101無刷直流電動機分數槽繞組Z=12，2P4，q=1 Z15，2P4，q=5/4齒、極對齊，兩者相吸齒、極對齊，兩者相吸 齒、極錯開，產生磁阻轉矩齒、極錯開，產生磁阻轉矩整數槽分數槽102無刷直流電動機分數槽繞組 某三相無刷直流電機，定子某三相無刷直流電機，定子槽數槽數 Z18，極數，極數 2P4， q 18/4332。103無刷直流電動機分數槽繞組192103114125136147158 401161718順接線圈順接線圈反接線圈反接線圈A 相相1, 105, 6, 14,15B 相相4, 138, 9, 17,18C 相相7, 162, 3, 11,

26、12三相分相結果（q=3/2）ABCXYZ104無刷直流電動機分數槽繞組1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18NSNSNAXA 相繞組展開圖相繞組展開圖 ( a = 2 )105無刷直流電動機分數槽繞組4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3NSNSNBYB 相繞組展開圖相繞組展開圖 ( a = 2 )106無刷直流電動機分數槽繞組7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3 4 5 6NSNSNCZC 相繞組展開圖相繞組展開圖 ( a = 2 )107無刷直流電動

27、機分數槽繞組 某三相無刷直流電機，定子某三相無刷直流電機，定子槽數槽數 Z15，極數，極數 2P4， q 15/4354。108無刷直流電動機分數槽繞組192103114125136147158 481AYBCZX順接線圈順接線圈反接線圈反接線圈A 相1, 2, 95, 13B 相4, 11, 128, 15C 相3, 106, 7, 14三相分相結果（q = 5/4）槽電動勢星形圖槽電動勢星形圖109無刷直流電動機分數槽繞組ANSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15A 相繞組展開圖相繞組展開圖X順接組線圈: 1, 2, 9反接組線圈: 5, 13110無

28、刷直流電動機分數槽繞組BYNSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15B 相繞組展開圖相繞組展開圖順接組線圈: 4, 11, 12反接組線圈: 8, 15111無刷直流電動機分數槽繞組NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15C 相繞組展開圖相繞組展開圖順接組線圈: 3, 10反接組線圈: 6, 7, 14CZ112無刷直流電動機分數槽繞組NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15C 相繞組端部的另一接法相繞組端部的另一接法CZ113無刷直流電動機分數槽繞組 某三相無刷直流電機，定子某三相

29、無刷直流電機，定子槽數槽數 Z27，極數，極數 2P6， q 27/6332。114無刷直流電動機分數槽繞組1,10,192,11,203,12,2122,13,423,14,524,15,625,16,78,17,269,18,27AXBYZC順接線圈順接線圈反接線圈反接線圈A相相1,10,195,14,236,15,24B相相4,13,228,17,269,18,27C相相7,16,252,11,203,12,21三相分相結果（q=3/2）槽電動勢星形圖槽電動勢星形圖 401115無刷直流電動機分數槽繞組1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1

30、8 19 20 21 22 23 24 25 26 27NSNSNSAX116無刷直流電動機分數槽繞組 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3NSNSNSBY117無刷直流電動機分數槽繞組7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3 4 5 6SNSNSNCZ118無刷直流電動機分數槽繞組 某三相無刷直流電機，定子某三相無刷直流電機，定子槽數槽數 Z36，極數，極數 2P8， q 36/8332。119無刷

31、直流電動機分數槽繞組1,10,192,11,203,12,2122,13,423,14,524,15,625,16,78,17,269,18,27AXBYZC順接線圈順接線圈反接線圈反接線圈A相相1,10,19,285,6,14,15,23,24,32,33B相相4,13,22,318,9,17,18,26,27,35,36C相相7,16,25,342,3,11,12,20,21,29,30三相分相結果（q=3/2）槽電動勢星形圖槽電動勢星形圖 401120無刷直流電動機變壓器式繞組六槽永磁無刷直流電動機實物照片六槽永磁無刷直流電動機實物照片121無刷直流電動機變壓器式繞組I、 槽數 Z3，極

32、數 2P2；II、 槽數 Z6，極數 2P4；III、槽數 Z9，極數 2P6；122無刷直流電動機變壓器式繞組AXCZBY軸槽數槽數 Z3，極數，極數 2P2CBAXYZI123無刷直流電動機變壓器式繞組軸軸A1X1X2A2Y1B1Z1C1B2Y2C2Z2II槽數槽數 Z6，極數，極數 2P4124無刷直流電動機變壓器式繞組1,4,72,5,83,6,9ABC槽電動勢星形圖槽電動勢星形圖線圈號線圈號A 相相1, 4, 7B 相相2, 5, 8C 相相3, 6, 9三相分相結果（q=0.5）III125無刷直流電動機變壓器式繞組 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A 相集中式繞組展開圖（相集

33、中式繞組展開圖（a = 3）AXSNNSNS126無刷直流電動機變壓器式繞組B 相集中式繞組展開圖（相集中式繞組展開圖（a=3）2 3 4 5 6 7 8 9 1BYSNNSNS127無刷直流電動機變壓器式繞組C 相集中式繞組展開圖（相集中式繞組展開圖（a =3） 3 4 5 6 7 8 9 1 2CZSNNSNS128無刷直流電動機系統組成3） 霍爾位置傳感器129無刷直流電動機霍爾位置傳感器 霍爾效應 1879年美國霍普金斯大學霍爾（年美國霍普金斯大學霍爾（ E.H.Hall）發發現，磁場中的導線有電流通過時，其橫向不僅受到現，磁場中的導線有電流通過時，其橫向不僅受到力的作用，同時還出現電

34、壓。力的作用，同時還出現電壓。 隨后，人們又發現，不僅導體，而且半導體也隨后，人們又發現，不僅導體，而且半導體也存在霍爾效應，而且更明顯。存在霍爾效應，而且更明顯。130無刷直流電動機霍爾位置傳感器控制電流控制電流 IH霍爾電動勢霍爾電動勢E磁感應強度磁感應強度BBIKEHH霍爾電動勢：霍爾電動勢：131無刷直流電動機霍爾位置傳感器霍爾集成電路霍爾集成電路 -0.025 0 0.025 B / T運算放大器功率放大霍爾元件霍爾元件U0UccGND01234U0 /V開關型霍爾集成開關型霍爾集成電路特性曲線電路特性曲線132 霍爾位置傳感器安裝 霍爾定子安裝霍爾定子安裝 三個霍爾元件安裝在三個霍

35、爾元件安裝在無刷電機的定子方，空間上彼此相差無刷電機的定子方，空間上彼此相差 120電角度電角度 分別與無刷電機定子三相繞組首端分別與無刷電機定子三相繞組首端所在槽中心線對齊。所在槽中心線對齊。無刷直流電動機霍爾位置傳感器133無刷直流電動機霍爾位置傳感器 霍爾位置傳感器安裝 霍爾霍爾轉子安裝轉子安裝 與無刷電機轉子同軸安與無刷電機轉子同軸安裝，薄磁片與霍爾元件氣隙裝，薄磁片與霍爾元件氣隙 1mm 左右，永磁左右，永磁體軸線與無刷電機轉子主磁極軸線垂直。體軸線與無刷電機轉子主磁極軸線垂直。 霍爾霍爾轉子可直接利用無刷電機的主轉子。轉子可直接利用無刷電機的主轉子。134無刷直流電動機霍爾位置傳感

36、器S霍爾元件霍爾元件電磁轉矩：電磁轉矩：CYBZXASNnkBukCukAusinafTemFFKT霍爾磁片霍爾磁片135無刷直流電動機霍爾位置傳感器 霍爾元件位置調校 在大批量生產情況下，可以采用嚴格在大批量生產情況下，可以采用嚴格控制主轉子永磁體質量的控制主轉子永磁體質量的一致性一致性和提高霍和提高霍爾元件的貼裝精度的措施，從而省去霍爾爾元件的貼裝精度的措施，從而省去霍爾元件位置調校工作，達到簡化操作程序、元件位置調校工作，達到簡化操作程序、降低制造成本的目的。降低制造成本的目的。136無刷直流電動機霍爾位置傳感器60240300120PCPB1803 6 0PAttt轉子位置檢測波形轉子

37、位置檢測波形 137稀土永磁無刷直流電動機二、無刷電機原理 與特性Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor， BLDCM138無刷直流電動機原理與特性1. 有刷直流電動機原理2. 無刷電機運行原理3. 無刷電機基本關系4. 無刷電機基本特性139無刷直流電動機原理與特性1. 有刷直流電動機原理140定、轉子磁場正交有刷直流電動機原理fem=Bliatem=femDa/2Tem=temk ( k=1toN ) CTIaea=BlvEa=eak ( k=1toN/2a ) =Cen直流電動機電磁轉矩直流電動機電磁轉矩NSTem, niafemfe

38、mfemfem141有刷直流電動機原理 直流電動機基本關系 電樞電動勢電樞電動勢：Ea= Cen 電磁轉矩電磁轉矩：Tem= CTIa 電壓平衡方程式電壓平衡方程式：U2UEa+ IaRa 轉速特性轉速特性：eaaCRIUUn2142有刷直流電動機原理1 1號線圈換向開始號線圈換向開始 1 1號線圈正在換向號線圈正在換向 1 1號線圈換向結束號線圈換向結束1 2 1 2 1 2K321 電刷靜止電刷靜止K321K321iaiaiaiaiaia2ia2ia2ia直流電動機的機械換向過程直流電動機的機械換向過程143有刷直流電動機原理 1 1號線圈正在換向號線圈正在換向 K321iaia2iaie

39、1 2i1i2iai直流電動機的機械換向過程直流電動機的機械換向過程144有刷直流電動機原理kreee換向元件中的電動勢換向元件中的電動勢reke電抗電動勢電抗電動勢旋轉電動勢旋轉電動勢145有刷直流電動機原理換向元件中的電流換向元件中的電流kLbbkaiiRReTtii21)21 (Liki直線換向電流直線換向電流附加換向電流附加換向電流146有刷直流電動機原理K321iaiai1 2iaiRb1Rb2K321iaiaRb換向過程電刷與換向器的接觸電阻換向過程電刷與換向器的接觸電阻147有刷直流電動機原理0.5 1 t/TkRb1+ Rb24Rb0換向元件回路串聯的總電阻換向元件回路串聯的總

40、電阻148有刷直流電動機原理t0ikTke 0e 0換向元件中的附加電流換向元件中的附加電流149有刷直流電動機原理直流電機的直線換向電流直流電機的直線換向電流Tk0tiTkTk/2-IaIa電流換向時刻換向周期（ms） 0e150有刷直流電動機原理直流電機的延遲換向電流直流電機的延遲換向電流t0iTk/2 tc-IaIaTkiLiK 0e151有刷直流電動機原理直流電機的延遲換向電流直流電機的延遲換向電流t0itc Tk/2-IaIaTkiLiK 0e152有刷直流電動機原理K321iaiai1 2iai左刷（后刷）邊出現火花左刷（后刷）邊出現火花直流電動機的延遲換向直流電動機的延遲換向15

41、3有刷直流電動機原理K321iaiai1 2iai右刷（前刷）邊出現火花右刷（前刷）邊出現火花直流電動機的超越換向直流電動機的超越換向154有刷直流電動機原理換向極換向極NSniaSkekererekBk順著轉子順著轉子旋轉方向旋轉方向看，換向看，換向極的極性極的極性應與主磁應與主磁極的極性極的極性相反。相反。主磁極主磁極換向極換向極Nk直流電動機換向極的裝法直流電動機換向極的裝法155有刷直流電動機原理直流電動機換向極的裝法直流電動機換向極的裝法SniaSkFaFkN換向極換向極156有刷直流電動機原理NSniaSkerekekerBk順著轉子順著轉子的旋轉方的旋轉方向看，換向看，換向極的極

42、向極的極性應與主性應與主磁極的極磁極的極性一致。性一致。直流發電機換向極的裝法直流發電機換向極的裝法Nk換向極換向極157有刷直流電動機原理NSnNSn直流電動機直流電動機 直流發電機直流發電機直流電機移動電刷位置改善換向直流電機移動電刷位置改善換向158無刷直流電動機原理與特性2. 無刷電機運行原理159無刷直流電動機運行原理 電機運行原理分析模型電機運行原理分析模型FfSCXBFaCYBZANSnidAa)b)定、轉子磁場正交定、轉子磁場正交CnNZBYAANSXnnc)160無刷直流電動機運行原理有刷直流電動機有刷直流電動機NSTem, nCnNZBYAANSXnnc)無刷直流電動機無刷

43、直流電動機定轉子交換位置定轉子交換位置161無刷直流電動機運行原理Y C X B Z A Y C原理分析模型展開圖原理分析模型展開圖SNnnSS N SSSN=90永磁磁極永磁磁極：磁狀態角磁狀態角定子繞組等效磁極定子繞組等效磁極162無刷直流電動機原理與特性3. 無刷電機基本關系163無刷直流電動機基本關系 電磁轉矩CCBBAAemieieieTconstieieieCCBBAA 恒定轉矩的產生條件164無刷直流電動機基本關系3600B, ea, iaiaB18015030eatNS1梯形波無刷直流電動機波形圖梯形波無刷直流電動機波形圖165無刷直流電動機基本關系三相電動勢、電流波形圖三相電

44、動勢、電流波形圖e, i003600iA18015030eAiB120240eBeCiCtttA 相B 相C 相166無刷直流電動機基本關系電動勢波形(磁密波形)電流波形相電動勢幅值電磁轉矩轉矩脈動系數不同波形的無刷直流電動機ettietitetitetitnkNPENm130nNPEm10nNPEm252nNPEm30mmemIET06. 1mmemIET632. 1mmemIET632. 1mmemIET35. 10T0T0T14. 0T167無刷直流電動機基本關系 EPS 無刷直流電動機的實測波形無刷直流電動機的實測波形相電動勢霍爾位置信號168無刷直流電動機基本關系 EPS 無刷直流電

45、動機的實測波形無刷直流電動機的實測波形相電動勢169無刷直流電動機基本關系 EPS 無刷直流電動機的實測波形無刷直流電動機的實測波形線電動勢170無刷直流電動機基本關系電流仿真波形電流仿真波形 電流實測波形電流實測波形 EPS 無刷直流電動機的實測波形無刷直流電動機的實測波形171無刷直流電動機基本關系三相星形六狀態三相星形三狀態相電動勢幅值平均電樞電流空 載 轉 速平均電磁轉矩nNPEim15nNPEim15amavREUUI222amavREUUI0025 . 7PNUUni0015PNUUniaviavINPT4aviavINPT2172無刷直流電動機基本關系uaucubiaibic R

46、a L-MRa L-MRa L-Meaebec無刷直流電動機的等效電路無刷直流電動機的等效電路173無刷直流電動機基本關系cbacbacbaaaacbaeeeiiipMLMLMLiiiRRRuuu000000000000 三相（無中線）無刷直流電動機的三相（無中線）無刷直流電動機的瞬態瞬態電壓方程電壓方程 ua、ub、uc定子相繞組電壓； R定子相繞組電阻； ia、 ib、 ic定子相繞組電流； L定子相繞組電感； ea、eb、ec定子相繞組電動勢； M兩相繞組間的互感。174無刷直流電動機基本關系cbacbaaaacbacbaeeeiiiRRRuuuMLMLMLiiip00000010001

47、0001 三相（無中線）無刷直流電動機的狀態方程三相（無中線）無刷直流電動機的狀態方程175無刷直流電動機基本關系 無刷直流電動機動態特性由下列方程來描述無刷直流電動機動態特性由下列方程來描述dtdnGDTTIKTnKERIEUULemaTemeaaaa3752176無刷直流電動機基本關系emT)()(sUsUaR1)(sITK)(sTLsGD2375)(sn)(sEaeK無刷直流電動機的動態結構圖無刷直流電動機的動態結構圖177無刷直流電動機原理與特性4. 無刷電機基本特性178無刷直流電動機基本特性 不同轉子結構的機械特性不同轉子結構的機械特性emeTaeTKKRKUUn2 機械特性機械特

48、性：nTem0 1：普通直流電動機 2：徑向式結構無刷電動機（電感較小） 3：切向式結構無刷電動機（電感較大）179無刷直流電動機基本特性1000400030002000246n/(rpm)Tem/(N.m)0 2 8 6 4246Tem/(N.m)Ia/(A)0機械特性轉矩特性機械特性轉矩特性一臺稀土永磁無刷直流電動機（方波驅動）的實測特性一臺稀土永磁無刷直流電動機（方波驅動）的實測特性180稀土永磁無刷直流電動機三、無刷電機控制Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor ， BLDCM181無刷直流電動機控制1. 無刷電機正反轉2. 無刷電

49、機回饋制動3. 無刷電機起動與調速4. 無刷電機閉環控制182無刷直流電動機控制1. 無刷電機正反轉183無刷直流電動機正反轉1）無刷電機正向運行184無刷直流電動機正向運行CXSBFaCYBZAFf三相星形六磁狀態三相星形六磁狀態idNSnmax =120AA、B 相繞組通入直流電流相繞組通入直流電流 id 185無刷直流電動機正向運行CXSBFaCYBZAFfidNSnmin =60A電動機正轉電動機正轉 60 電角度電角度902minmaxav186無刷直流電動機正向運行SCYBZAFaFfXBCASNSnidA、C 相繞組通入直流電流相繞組通入直流電流 id 187無刷直流電動機正向運

50、行SCYBZAFaFfXBCASNSnid電動機正轉電動機正轉 60 電角度電角度188無刷直流電動機正向運行SCYBZXAFfFaCBANSnidB、C 相繞組通入直流電流相繞組通入直流電流 id 189無刷直流電動機正向運行SCYBZXAFfFaCBANSnid電動機正轉電動機正轉 60 電角度電角度190無刷直流電動機正向運行FfXBCYZABCAFaNSSnidB、A 相繞組通入直流電流相繞組通入直流電流 id 191無刷直流電動機正向運行FfXBCYZABCAFaNSSnid電動機正轉電動機正轉 60 電角度電角度192無刷直流電動機正向運行BCASidC、A 相繞組通入直流電流相繞

51、組通入直流電流 id FfXBCYZAFaNSn193無刷直流電動機正向運行BCASidFfXBCYZAFaNSn電動機正轉電動機正轉 60 電角度電角度194無刷直流電動機正向運行XBCAZFaFfYBCANSSnidC、B 相繞組通入直流電流相繞組通入直流電流 id 195無刷直流電動機正向運行XBCAZFaFfYBCANSSnid電動機正轉電動機正轉 60 電角度電角度196無刷直流電動機正向運行CXSBFaCYBZAFfidNSnAA、B 相繞組通入直流電流相繞組通入直流電流 id 197無刷直流電動機正向運行 逆變器功率管驅動信號逆變器功率管驅動信號 V3300180180V1V4V

52、61202406060360120240300360V2V6V5tttttt 三相電流波形三相電流波形 120240300180240360iCiBiAttt6060120300180360ABACBCBAACCBBA198無刷直流電動機正反轉注：注：紅色紅色字體電壓表示霍爾元件輸出高電平信號；字體電壓表示霍爾元件輸出高電平信號；藍色藍色字體電壓表示霍爾元件輸出低電平信號。字體電壓表示霍爾元件輸出低電平信號。霍爾元件信號霍爾元件信號電機正轉電機正轉電機反轉電機反轉導通繞組導通繞組導通管子導通管子導通繞組導通繞組導通管子導通管子ukA ukB ukC A BV1 V6A CV1 V2ukA uk

53、B ukCA CV1 V2A BV1 V6ukA ukB ukCB CV3 V2C BV5 V6ukA uKB ukCB AV3 V4C AV5 V4ukA uKB ukCC AV5 V4B AV3 V4ukA uKB ukCC BV5 V6B CV3 V2199無刷直流電動機反向運行反向運行時的三相電流波形反向運行時的三相電流波形 120300180240360iBiAtt60180360240iCt60120300200無刷直流電動機正反轉2）無刷電機反向運行201無刷直流電動機反向運行AFaSCYBZXFfNSnA 、C 相繞組通入直流電流相繞組通入直流電流 id CBidA202無刷直

54、流電動機反向運行電動機反轉電動機反轉 60 電角度電角度FfAFaSCYBZXNSnCBidA203無刷直流電動機反向運行FfAFaSCYBZNSnCBidAA 、B 相繞組通入直流電流相繞組通入直流電流 id 204無刷直流電動機反向運行AFaSCYBZNSnCBidA電動機反轉電動機反轉 60 電角度電角度Ff205無刷直流電動機控制2. 無刷電機回饋制動 206無刷直流電動機回饋制動正向制動時電磁轉矩的方向正向制動時電磁轉矩的方向正向電動運行正向電動運行 正向回饋制動正向回饋制動TemTem,nnTLTL207無刷直流電動機回饋制動 回饋制動原理 只要改變同一磁極下電樞電流的方向，就可改

55、只要改變同一磁極下電樞電流的方向，就可改變電動機電磁轉矩的方向變電動機電磁轉矩的方向（fem=Bl ia），產生制動性產生制動性質的轉矩，電機進入正向制動（回饋發電）狀態，質的轉矩，電機進入正向制動（回饋發電）狀態，將機械動能轉換為電能消耗在直流環的電阻將機械動能轉換為電能消耗在直流環的電阻Rh（或（或對電池充電）。對電池充電）。208無刷直流電動機回饋制動CBididBCAAA B B A改變同一磁極下電樞電流的方向改變同一磁極下電樞電流的方向209無刷直流電動機回饋制動 回饋制動方法 改變同一磁極下電樞電流的方向，只須把同改變同一磁極下電樞電流的方向，只須把同一橋臂上下兩個功率管的導通時刻

56、互換即可。如一橋臂上下兩個功率管的導通時刻互換即可。如正向電動時正向電動時V1導通的時刻由導通的時刻由V4來代替，來代替，V6導通的導通的時刻由時刻由V3來代替，電動機就會產生正向制動性質來代替，電動機就會產生正向制動性質的轉矩。的轉矩。210無刷直流電動機回饋制動CSBXFaCYBZAFfNSnid正向制動前電機處于正向電動狀態正向制動前電機處于正向電動狀態211無刷直流電動機回饋制動idBCASXFaCYBZAFfNSn正向制動時電樞磁動勢改變方向正向制動時電樞磁動勢改變方向212無刷直流電動機回饋制動正向電動狀態正向電動狀態 回饋制動回饋制動XFaCYBZAFfNSnXFaCYBZAFf

57、NSn213無刷直流電動機控制正向電動正向電動反向電動反向電動正向回饋運行正向回饋運行正向回饋過程正向回饋過程反向回饋反向回饋1 12 23 34 4Temn214無刷直流電動機控制 3. 無刷電機起動與調速215無刷直流電動機起動與調速 1） 無刷電機起動216 無刷直流電動機起動無刷直流電動機起動 同樣，同樣，無刷無刷直流電動機全壓起動時起動直流電動機全壓起動時起動電流也很大，這是主電路功率開關管和電機電流也很大，這是主電路功率開關管和電機所不允許的。所不允許的。 通常采用降壓起動，以限制起動電流。通常采用降壓起動，以限制起動電流。 217無刷直流電動機起動與調速 2） 無刷電機調速218

58、無刷直流電動機調速電動汽車要求的驅動電機機械特性電動汽車要求的驅動電機機械特性恒轉矩調速恒轉矩調速恒功率調速恒功率調速219無刷直流電動機調速調速方法 降壓調速降壓調速 弱磁調速弱磁調速220無刷直流電動機降壓調速tuput電流調節器輸出信號三角波發生器輸出信號PWM 發生器輸出信號PWM 信號產生原理信號產生原理uruc221無刷直流電動機弱磁調速調速方法 控制方法控制方法 結構方法結構方法222無刷直流電動機弱磁調速 控制方法 即改變逆變器開關元件的觸發即改變逆變器開關元件的觸發角，使定子電流的相位提前，產生一個去磁的電角，使定子電流的相位提前，產生一個去磁的電樞磁動勢，削弱永磁磁場。樞磁

59、動勢，削弱永磁磁場。 加弱磁線圈 即在電機定子鐵芯中加入弱磁即在電機定子鐵芯中加入弱磁線圈，通入直流電流，產生一個軸向附加磁場，線圈，通入直流電流，產生一個軸向附加磁場，根據電流方向不同，可以削弱（或增加）永磁磁根據電流方向不同，可以削弱（或增加）永磁磁場。場。223無刷直流電動機弱磁調速 控制方法224無刷直流電動機弱磁調速Fad =0，無去磁作用，無去磁作用FFa= FaqCYBZAFfNSn= 90225無刷直流電動機弱磁調速Fad 的最大去磁作用的最大去磁作用FaqFadFFaCYBZAFfNSn= 12090 120 226無刷直流電動機增磁調速Fad 的最大增磁作用的最大增磁作用F

60、adFFaqFaCYBZAFfNSn= 60227無刷直流電動機弱磁調速e, i003600iA1 8 015030eAiB150270eBeCiCttt電流超前電動勢相位角電流超前電動勢相位角228無刷直流電動機弱磁調速1200 1600 2000 2400 n/ (r min-1)Tem (N.m)204060801201401600=45=40=30=0不同相位角不同相位角時無刷電機機械特性時無刷電機機械特性229無刷直流電動機弱磁調速 增大電流超前角增大電流超前角可顯著提高電動機的調速范圍；可顯著提高電動機的調速范圍； 的增大意味著電動機直軸去磁電流的增大，直軸的增大意味著電動機直軸去