前沿技术讲座(新型电机)

新型电机电气工程系王兵一、概述一级学科：0808电气工程电机与电器（080801）、电力系统及其自动化、高电压与绝缘技术、电力电子与电气传动（080804）、电工理论与新技术五个二级学科.1.电机与电器主要研究电机电器及其控制系统的运行理论、电磁问题、设计和控制理论，涉及电机电器的基本理论、特种电机及其控制系统、电机计算机辅助设计及优化技术、电机电磁场数学模型与数值分析、电机的控制理论及方法、特种电机设计等研究领域。在不同的学校，研究方向略有不同，但主要研究方向如下：（1）新型电机及机电一体化技术、能源变换技术（2）电机控制（电机控制理论与高性能运动控制方法）与电力电子应用技术（3）智能电器及在线监测技术（4）高频功率磁元件分析与应用（5）电机电器智能测试技术（6）电气装备检测与故障诊断2、电力电子与电气传动电力电子与电力传动学科主要研究新型电力电子器件、电能的变换与控制、功率源、电力传动及其自动化等理论技术和应用。它是综合了电能变换、电磁学、自动控制、微电子及电子信息、计算机等技术的新成就而迅速发展起来的交叉学科，对电气工程学科的发展和社会进步具有广泛的影响和巨大的作用。研究方向:（1）谐波抑制与无功补偿（2）电力电子电路仿真与设计（3）计算机控制系统（4）电气系统智能控制技术（5）现代控制理论及其在电气传动中的应用（6）系统故障诊断技术及应用（7）现代交、直流电机调速技术（8）功率变换技术的研究3、新型电机重点发展方向(1)现代高品质电气驱动与智能控制，包括电动汽车、舰船推进、高性能电梯等使用的高品质电气驱动系统和全数字、智能化交流伺服系统的研究。(2)新型特种电机与新能源技术，包括各种新概念、新原理、新材料电机的理论、模型、控制及应用，新能源利用中所需特种电机及关键技术的研究。(3)电磁工程与电物理技术，包括电磁场分析技术、特种电磁装备等。二、无刷直流电动机BrushlessDCMotor(BLDCM)92.1无刷直流电动机系统2.1.1基本组成位置检测器逆变器电机本体控制信号控制器输出直流电源无刷直流电机构成框图10无刷直流电动机结构定子永磁转子传感器定子传感器转子(a)结构示意图(b)定转子实际结构1.电动机本体11NSNSNSNS表面式磁极NNNNNNSSSSSS嵌入式磁极NSNSNSNS环形磁极内转子结构形式12实际电机外转子绕组永磁体内定子结构示意图外转子无刷直流电动机132.逆变器USABCDb)四相半桥主电路USABCa)三相半桥主电路1)非桥式（半桥式）——半控型142.逆变器2)桥式——全控型c)星形联结三相桥式主电路USVD1VD4VT1VT4VD5VD2VT3VT6VD3VD6VT5VT2ABC152.逆变器d)三角形联结三相桥式主电路2)桥式——全控型USVD1VD4VT1VT4VD5VD2VT3VT6VD3VD6VT5VT2ABC162.逆变器2)桥式——全控型e)正交两相全控型主电路USAB172.逆变器2)桥式——全控型f)封闭形联结四相桥式主电路USABCD18主电路选择原则绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小电路成本：相数越多，电路成本越高星形联接三相桥式主电路应用最多193.位置检测器位置检测器有位置传感器检测无位置传感器检测磁敏式光电式电磁式接近开关式正余弦变压器编码器反电动势检测续流二极管工作状态检测定子三次谐波检测瞬时电压方程法204.控制器控制器模拟控制系统数字控制系统分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统基于专用集成电路的控制系统数模混合控制系统全数字控制系统控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心21永磁无刷直流电机系统图控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。2.1.2基本工作原理22工作原理磁极图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V6开通→A、B相导通→I:E+-A-B-E-→电机顺时针旋转磁极转过60o图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V2开通→A、C相导通→I:E+-A-C-E-→电机顺时针旋转转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转——自同步电机232.1.3无刷直流电动机与永磁同步电动机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，既具有永磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所示。无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1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青睐。24iaBBeaeaiaTaTaTeTettttttttttOOOOOOOOOO(a)无刷直流电动机(b)永磁同步电动机252.2无刷直流电动机的主电路及其工作方式无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相桥式三种形式。1.2.1星形连接三相半桥主电路VT3USABCVT1VT2H1H2H326在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如图所示。0120240360480t0120240360480t0120240360480tH1H2H3旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。272.2.2星形连接三相桥式主电路VT2VT6VT4VT1VT3VT5ABC+US-位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。281.二二导通方式电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：aabbcceEiEiEiT式中Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势；ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；——转子的机械角速度。可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。29三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律302.三三导通方式三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律312.2.3角形连接三相桥式主电路VT2VT6VT4VT1VT3VT5C+US-ACB如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二二导通和三三导通两种。321.二二导通方式电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律332.三三导通方式电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律342.3无刷直流电动机的电枢反应电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示AZBXCYFaFrNSIFaqFadII如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大去磁作用35AZBXCYFaFrNSIFaqFadII如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大增磁作用。可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/2磁状态时既不去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁动势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为36admsin2sin2sin222mmmaawFFFIWK式中F——每相绕组的磁动势；W——每相绕组的串联匝数；Kw——绕组系数。由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发生永久失磁，在设计时必须予以注意。372.4无刷直流电动机基本公式与数学模型无刷直流电机的磁场、电势、电流波形方波电动机——梯形波反电势与方波电流382.4.1无刷直流电动机的数学模型假设(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波)分布；(2)定子齿槽的影响忽略不计；(3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；(4)忽略电机中的磁滞和涡流损耗；(5)三相绕组完全对称。直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型39三相绕组的电压平衡方程为定子相绕组电压定子相绕组电流定子相绕组自感、互感定子相绕组电动势微分算子cbacbacbacbaeeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu00000040当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-MibcbacbacbacbaeeeiiidtdMLMLMLiiirrruuu000000000000所以得电压方程：41无刷直流电动机的等效电路如图所示rLMecUSVD1VD4VT1VT4VD5VD2VT3VT6VD3VD6VT5VT2rLMea+-+-+-iaibicrLMebABC422.4.2无刷直流电动机的反电动势无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示43设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则单根导体在气隙磁场中感应的电动势为(V)vLBea60260npnDv(m/s)如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动势幅值为nCnpWeWEeim152aiLB442.4.3无刷直流电动机稳态性能的动态模拟依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为()0()0acMaaMccbcMbbMccSabcdidiLrieLriedtdtdidiLrieLrieUdtdtiii续流结束后，换相完成，电路方程变为：0)(cbScccMbbbMiiUeridtdiLeridtdiL以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型452.4.4无刷直流电动机稳态性能的简化分析为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感。这样，无刷直流电动机的电压方程可以简化为：22STaUUErI式中UT——开关器件的管压降；Ia——电枢电流；E——线电动势，即电机的反电动势。46对于三相六状态无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为2215meipWEEnCn式中Ce——电机的电动势常数，iepWC152电枢绕组的电流为rEUUITSa22在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生，则42maaeaTaipWEIEITICI47电机的转速为eaTSCrIUUn22空载转速为pWUUpWUUCUUnTSiiTSeTS25.7152220电动势系数为ieepWCnEK152转矩系数为aiTaeTIpWCITK4482.5无刷直流电动机的运行特性2.5.1机械特性22222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC机械特性曲线堵转转矩为rUUCICTTTstTst2249调节特性2.5.2调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为TTeUCrTU220eCK1502.5.3工作特性工作特性×:实验值—：设计值120W样机效率特性512.6无刷直流电动机的转矩脉