无刷直流电机工作原理及PWM调速

华北电力大学电机教研室《电机学》第二十五章无刷直流电机主要内容：1、永磁材料及其特性参数2、无刷直流电机及其工作原理3、无刷直流电机的PWM调速华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数1、永磁材料铁磁材料磁化特性曲线华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数1、永磁材料永磁材料的去磁（退磁）曲线永磁材料的去磁曲线表示永磁材料被完全磁化后无外励磁时的B—H关系。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料分类常用的永磁材料有铝镍钴（AlniCo）、钡铁氧体（Ba-Ferrite）和锶铁氧体（Sr-Ferrite）、钐钴（SmCo2∶17型和SmCo1∶5型）和钕铁硼（NdFeB），这是按发明的先后顺序排列的；若按年产吨位排列则为：铁氧体、钕铁硼、铝镍钴、钐钴；若按销售额排列则为：铁氧体和钕铁硼并列第一，然后是钐钴、铝镍钴。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料分类华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（1）磁通量（Φ）永磁体的磁力线（磁通量）从N极出来，经过周围空间回到该磁体的S极，形成闭合回路。磁通量用磁通表测量，基本单位叫韦伯（Wb），1Mx=10-8Wb。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（2）磁通密度（B）单位面积（S）上垂直通过的磁通量（Φ）叫做磁通密度（B），B=Φ/S。1T=1Wb/m2，1G=1Mx/cm2，1T=10000G磁通密度（B）用特斯拉计（高斯计）测量。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（3）剩磁（Br或Mr）剩磁是简称，全称是“剩余磁感应强度”（Br）。将永磁体放在电磁铁两极头之间夹紧，通过磁滞回线测试仪测出退磁曲线，便得到该永磁体的剩磁，它的单位与磁通密度相同。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（3）剩磁（Br或Mr）铝镍钴的剩磁为0.8~1.4T(8000~14000G)，钡锶铁氧体的剩磁为0.2~0.44T(2000~4400G)，钐钴2∶17型的剩磁为1~1.14T(10000~11400G)，钐钴1∶5型的剩磁为0.85~1.05T(8500~10500G)，钕铁硼的剩磁为1.1~1.52T(11000~15200G)。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（4）磁场强度（H）电流在其周围产生磁场，磁场强度（H）表示磁场的强弱，单位：（A/m）和奥斯特（Oe）。常用千安/米（kA/m）。换算关系：1Oe=(100/4π)A/m≈80A/m，故1000Oe=1kOe≈1000×80A/m=80kA/m。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（5）矫顽力（Hc）、Hcb与Hci的区别永磁体经有效充磁后显示出磁性，磁通量从N极出来，回到S极。在反向磁场(退磁场)的作用下永磁体顽强地保持该磁性，直到在某一大小的反向磁场下该磁性退到零，此磁场的数值就是该永磁体的矫顽力数值。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（5）矫顽力（Hc）、Hcb与Hci的区别矫顽力分为：Hcb和內禀矫顽力Hci。铝镍钴以及钡、锶铁氧体的Hci与Hcb的差别不大，所以一般不用Hci。稀土永磁材料的Hci比Hcb大很多，退磁曲线测量到Hcb时，被测的稀土永磁体几乎没有退磁；只有测量到Hci这一点时，稀土永磁体才退磁了。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（6）最大磁能积(BH)max在B-H曲线上，每一点都对应一组数值（B，H）及其乘积BH。在Br点，H值为0，故BH乘积为0；在Hcb点B值为0，故BH乘积也为0。在此两点之间必定有一点的BH乘积达到最大，记为(BH)max，并称它为最大磁能积。永磁材料的最大磁能积代表储存在它里面的磁能密度。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（6）最大磁能积(BH)max华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（6）最大磁能积(BH)max最大磁能积单位分别是千焦耳/立方米（kJ/m3）和兆高奥（MGOe）。这两个单位之间的换算因子是100/4π=7.96。即1MGOe=(100/4π)kJ/m3，故100kJ/m3÷7.96=12.56MGOe。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（6）最大磁能积(BH)max华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（7）居里温度（Tc）每种永磁材料都有自己的居里温度。居里温度以下，材料具有强磁性；在该温度以上，强磁性消失。永磁体才制造出来时，是磁中性的，经过充磁，强磁性才显示出来。经有效充磁的永磁体，只有经过热退磁才能回到磁中性状态。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（7）居里温度（Tc）华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的特性参数（8）可逆磁导率（μr）在动态电磁回路中需要知道B-H退磁曲线的斜率，称它为可逆磁导率（μr）。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-1永磁材料及其特性参数永磁材料的应用永磁材料应用于电机永磁电机广泛应用于数控机床、精密机器人、航天、航海、高速列车牵引、电动汽车、电动自行车等领域。家电领域的冰箱、洗衣机、空调也在大量使用无刷直流电机。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-2无刷直流电机的工作原理无刷直流电机的构成华北电力大学电机教研室《电机学》§25-2无刷直流电机的工作原理无刷直流电机包括：直流电源，永磁电机，电子换向电路（逆变器），转子位置检测，电流换向控制。无刷直流电机的构成华北电力大学电机教研室《电机学》§25-2无刷直流电机的工作原理表面磁钢结构的永磁电机内永磁结构的永磁电机分数槽绕组的永磁电机永磁电机华北电力大学电机教研室《电机学》§25-2无刷直流电机的工作原理电励磁的同步电动机，定子绕组通入交流电流的前后半个周期时间内，定子磁场对转子磁极的作用力是相反的。产生的平均转矩为零，无法自起动。正常的交流永磁电机也没有自起动能力。华北电力大学电机教研室《电机学》§25-2无刷直流电机的工作原理转子位置检测增量式光电编码器绝对式光电编码器光电编码器华北电力大学电机教研室《电机学》§25-2无刷直流电机的工作原理转子位置检测霍尔效应霍尔位置传感器华北电力大学电机教研室《电机学》§25-2无刷直流电机的工作原理左侧的电源和整流器由直流电源替代，比如电动自行车或电动摩托使用电池作为电源。无刷直流电机的工作原理§25-2无刷直流电机的工作原理华北电力大学电机教研室《电机学》直流电源华北电力大学电机教研室《电机学》开通B管和X管ωt=0°电源U+→V3→B+→A-→V4→电源U-；(V3，V4,FBA-)§25-2无刷直流电机的工作原理华北电力大学电机教研室《电机学》ωt=60°电源U+→V5→C+→A-→V4→电源U-；(V4，V5,FCA-)开通C管和X管§25-2无刷直流电机的工作原理ωt=120°电源U+→V5→C+→B-→V6→电源U-；(V5，V6,FCB-)开通C管和Y管§25-2无刷直流电机的工作原理华北电力大学电机教研室《电机学》ωt=180°电源U+→V1→A+→B-→V6→电源U-；(V6，V1,FAB-)开通A管和Y管§25-2无刷直流电机的工作原理华北电力大学电机教研室《电机学》ωt=240°电源U+→V1→A+→C-→V2→电源U-；(V1，V2,FAC-)开通A管和Z管§25-2无刷直流电机的工作原理华北电力大学电机教研室《电机学》ωt=300°电源U+→V3→B+→C-→V2→电源U-；(V2，V3,FBC-)开通B管和Z管§25-2无刷直流电机的工作原理华北电力大学电机教研室《电机学》ωt=360°电源U+→V3→B+→A-→V4→电源U-；(V3，V4,FBA-)开通B管和x管§25-2无刷直流电机的工作原理华北电力大学电机教研室《电机学》华北电力大学电机教研室《电机学》无刷直流电机的功率和转矩§25-2无刷直流电机的工作原理华北电力大学电机教研室《电机学》无刷直流电机的PWM调速直流电机的PWM调速§25-2无刷直流电机的工作原理华北电力大学电机教研室《电机学》无刷直流电机的PWM调速直流电机的PWM调速§25-2无刷直流电机的工作原理华北电力大学电机教研室《电机学》无刷直流电机的PWM调速直流电机的PWM调速§25-2无刷直流电机的工作原理PWM的占空比：。调节开关的占空比，调节加在电机绕组上的平均电压的大小，从而实现直流电机的调速。华北电力大学电机教研室《电机学》无刷直流电机的PWM调速§25-2无刷直流电机的工作原理PWM-ON模式调制方法示意图华北电力大学电机教研室《电机学》无刷直流电机的PWM调速§25-2无刷直流电机的工作原理ON-PWM模式调制方法示意图华北电力大学电机教研室《电机学》无刷直流电机的PWM调速§25-2无刷直流电机的工作原理PWM-ON-PWM模式调制方法示意图华北电力大学电机教研室《电机学》无刷直流电机的PWM调速§25-2无刷直流电机的工作原理通过调整PWM的占空比，调节加在电机绕组上的电压的大小，可以实现像直流电机一样调速性能。