BLDC-Motor稀土永磁无刷直流电动机

1稀土永磁无刷直流电动机RareEarthPermanentMagnetBrushlessDCMotor(BLDCM)湖北工业大学稀土电机及控制研究所2稀土永磁无刷直流电动机RareEarthPermanentMagnetBrushlessDCMotor，BLDCM一、无刷电机概述二、无刷电机原理与特性三、无刷电机控制四、无刷电机转矩脉动五、无刷电机电磁设计3稀土永磁无刷直流电动机一、无刷电机概述RareEarthPermanentMagnetBrushlessDCMotor，BLDCM4无刷直流电动机概述1.无刷直流电动机的应用2.无刷直流电动机发展历史3.无刷与有刷直流电动机比较4.无刷直流电动机的特点5.无刷直流电动机系统组成5无刷直流电动机概述1.无刷直流电动机的应用6计算机中的无刷电机7计算机中的无刷电机8电动自行车中的无刷电机9家用电器中的无刷电机10本田HEVINSIGHT11丰田混合电动汽车开发历程12本田Insight发动机和无刷电机13并联式混合动力系统14本田CIVIC的动力分配策略15电动汽车中的无刷电机电机及控制器16电动汽车中的无刷电机永磁体永磁体外转子结构的无刷电动机17外转子混合励磁无刷电机軸內定子鐵心外轉子鐵心永磁極鐵極勵磁繞組18电动汽车中的无刷电机电机、控制器和减速箱一体化结构控制器电机减速齿轮192.无刷直流电动机发展历史无刷直流电动机概述20无刷直流电动机发展历史█有刷直流电动机有刷直流电动机具有良好的起动和调速性能，但其存在换向器和电刷，导致换向火花、电磁干扰、可靠性差、造价高等一系列问题。21无刷直流电动机发展历史█异步电动机异步电动机结构简单、运行可靠、价格便宜，但其调速和起动性能不佳。22无刷直流电动机发展历史█同步电动机同步电动机具有良好的运行性能，但其起动性能不佳。23无刷直流电动机发展历史█上世纪三十年代，有人提出了用电子换相取代机械换向的无刷直流电动机概念，但当时尚无理想的电子换相器件。24无刷直流电动机发展历史█1955年，美国D.哈利森等人首次发明了应用晶体管代替机械换向器的无刷直流电动机，但当时没有电机转子位置检测器件，该电机没有起动能力。25█1962年，人们使用霍尔元件来检测转子位置并控制绕组电流换相，无刷直流电动机达到实用化，但受到晶体管容量的限制，电机容量相对较小。无刷直流电动机发展历史26无刷直流电动机发展历史三大技术有力推动了永磁无刷直流电动机的快速发展█功率半导体器件█计算机控制技术█高性能稀土永磁材料27无刷直流电动机发展历史█70年代以来，随着新型功率半导体器件（如GTR，MOSFET，IGBT，IPM）相继出现，计算机控制技术（单片机、DSP，新的控制理论）的快速发展，以及高性能稀土永磁材料（如钐钴、钕铁硼）的问世，无刷直流电动机得到快速发展，容量不断增大，并获得了越来越广泛的应用。28无刷直流电动机概述3.无刷直流电动机的特点29无刷直流电动机分类█无刷直流电动机分为方波和正弦波电流驱动。正弦波电流驱动的无刷电动机名称比较多，英、美称为永磁同步电动机（PMSM），或无刷交流电动机（BLACM），日本、欧洲一些国家则称之为交流伺服电动机（ACServo）”。30无刷直流电动机分类电动机交流电动机直流电动机异步电动机同步电动机无刷直流永磁同步磁滞步进磁阻混合永磁变磁阻单相多相永磁电励磁永磁开关磁阻同步磁阻换向式单极式永磁电励磁串励并励复励多相单相笼型绕线电容式罩极式电阻式电容起动电容运行电容运行31无刷直流电动机分类电动机交流电动机直流电动机异步电动机同步电动机无刷直流永磁同步磁滞步进磁阻混合永磁变磁阻单相多相永磁电励磁永磁开关磁阻同步磁阻换向式单极式永磁电励磁串励并励复励多相单相有刷直流32有刷直流电动机的基本结构BearingRotorwindingCommutatorFanPMPolesBrushes33有刷直流电动机的基本结构稀土永磁有刷直流电动机NS转枢式34内转子，外定子外转子，内定子无刷直流电动机基本结构XCYANBZNSAXBYCZSN转场式35稀土永磁直流电动机结构比较内转子整数槽无刷直流电动机13618q36稀土永磁直流电动机结构比较内转子分数槽无刷直流电动机21369q37稀土永磁直流电动机结构比较外转子结构稀土永磁无刷直流电动机10333027q38无刷直流电动机定义█无刷直流电动机无刷直流电动机是指没有电刷等机械换向装置，但具有有刷直流电动机（DCM）特性的电动机。39无刷与有刷直流电动机比较█无刷直流电动机与有刷直流电动机有相同的运行机理。40无刷与有刷直流电动机比较█无刷直流电动机与有刷直流电动机有相同的设计思想和设计方法。41无刷与有刷直流电动机比较█有刷直流电动机磁极磁场与电枢磁场始终处于正交状态。42无刷与有刷直流电动机比较NSnFfFa43无刷与有刷直流电动机比较█无刷直流电动机磁极磁场与电枢磁场处在某一变化范围内。如三相无刷直流电动机60°~120°范围内变化。44无刷与有刷直流电动机比较█相同条件下，无刷直流电动机转矩脉动比有刷直流电动机大，电磁转矩小。45无刷与有刷直流电动机比较█BLDCM用电子换相取代DCM的机械换向，因而没有电刷与换向器。46无刷与有刷直流电动机比较█通常情况下，BLDCM的电枢绕组在定子上，励磁（永磁体）在转子上，与DCM中的定转子互换了位置。47无刷与有刷直流电动机比较█通常BLDCM带有转子位置检测传感器，而DCM则不需这种位置检测装置。48无刷直流电动机概述4.无刷直流电动机的特点49无刷直流电动机主要特点█永磁无刷结构电机免维护，可高速运行，因此可降低电机体积和重量，具有高功率和转矩密度和高效率。50无刷直流电动机主要特点█容易实现转矩控制无刷直流电机的电磁转矩Tem=KTFfFasinθ无刷直流电动机具有与直流电动机相似的转矩特性。51无刷直流电动机主要特点dtdnGDTTLem3752TemTLn电力拖动系统转动方程52无刷直流电动机主要特点异步电动机的电磁转矩Tem=CTΦδIacos一般情况下，Ff、Fa非正交，即Φδ、Ia之间存在耦合关系。53无刷直流电动机主要特点直流电动机电磁转矩Tem=CTΦδIa=CT’FfFa54无刷直流电动机主要特点无刷直流电动机电磁转矩Tem=KTFfFasinθ一般情况下,θ为90º（或平均值为90º），调节永磁无刷直流电动机电枢电流（电压）便可实现对转矩的控制。55无刷直流电动机主要特点█系统成本相对较低逆变器方波电流容易实现，控制器结构较简单；电机可采用整距集中绕组，制造工艺较简单；转子位置传感器结构简单，成本低。5690年代以来永磁材料发展状况永磁材料的磁能积钕铁硼钐钴铁氧体57稀土永磁无刷直流电动机特点█可明显降低电机重量，减小其体积；█缩短转子外径，增加气隙长度，进而改善了电机的有关性能；█产生近似矩形波的气隙磁场，可设计成方波无刷直流电动机；58稀土永磁无刷直流电动机特点█抗电枢反应去磁能力强，更适合突然反转、堵转等运行工况；█退磁曲线线性、可逆，简化了设计和分析。595.无刷直流电动机系统组成无刷直流电动机概述60无刷直流电动机系统组成█无刷直流电动机系统组成1）控制器2）电机本体3）霍尔位置传感器61无刷直流电动机系统组成直流电源控制器电动机转子位置传感器输出无刷直流电动机系统框图62无刷直流电动机系统组成V1－V6ACB控制电路驱动电路电机霍尔位置传感器控制器ACB136425S逆变电路三相永磁无刷直流电动机系统图63无刷直流电动机系统组成车速保护电路MOS驱动器IR2130扭矩BLDCM过流保护6路MOSFETTMS320LF2407电流采样输出电流CAP捕获位置信号过压离合器故障位置信号故障代码输出PDPINTCAPSCI6路PWM转速某稀土永磁无刷直流电动机系统框图64无刷直流电动机系统组成1）控制器65无刷直流电动机控制器控制器的组成█开关主电路█驱动电路█控制电路66无刷直流电动机控制器136425滤波电路缓冲电路逆变电路接整流桥D7C3R3无刷直流电动机开关主电路67无刷直流电动机控制器█缓冲电路作用减少开关管承受的尖峰电压，使开关管工作在安全区域内，提高主电路的可靠性。C3：选用高频性能好的无感电容D7：选用快速恢复二极管或选用整体缓冲电路。68无刷直流电动机控制器█逆变电路分立功率器件：功率晶体管GTR、功率场效应管MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT、可关断晶闸管GTO、MCT功率集成电路：功率开关管集成块、智能化功率模块IPM69无刷直流电动机控制器█驱动电路作用将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各功率开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。70无刷直流电动机控制器█驱动电路美国IR公司生产的六路集成驱动芯片（如IR2130），具有集成度高、速度快、过流欠压保护、开关频率高、价格便宜、调试方便等优点。71无刷直流电动机控制器无刷直流电动机微机控制系统ucupBLDCMRh驱动电路A／D电流检测三角波发生器PWM发生器电流调节器转速调节器位置信号处理逻辑控制单元运行状态判断反馈电流综合速度反馈单元PS*nunu*iuiuru72无刷直流电动机控制器█控制电路的作用（1）●对转子霍尔位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转和制动信号进行逻辑综合，给驱动电路提供相应的导通和关断信号；73无刷直流电动机控制器█控制电路作用（2）●产生PWM调制信号，使电机电压随给定转速信号的变化而变化；●对电机进行速度环和电流环的调节；●实现短路、过流和欠压等故障保护功能。74无刷直流电动机控制器控制电路形式█分立元件全模拟电路：目前少用█专用集成控制电路：功能特定█数模混合控制电路：广泛采用█全数字控制电路：发展方向75无刷直流电动机系统组成2）电机本体76无刷直流电动机电机本体电机本体构成█永磁转子█定子绕组77无刷直流电动机电机本体█永磁转子78无刷直流电动机永磁转子径向式切向式永磁体充磁方向SNNSSSSNN隔磁套NNSNNSS隔磁间隙轴轴79无刷直流电动机永磁转子稀土磁钢主磁极实心转子铁心轴NSNSSNNS等厚磁极的转子结构80无刷直流电动机永磁转子切向无间隔等厚磁极的转子结构轴NSNSSNNS81无刷直流电动机永磁转子轴NSNSNNSS等径磁极的转子结构82无刷直流电动机永磁转子BNSNSB00径向式切向式稀土永磁磁极永磁电机气隙磁密波形83无刷直流电动机空载磁场84无刷直流电动机空载磁场85无刷直流电动机空载磁场86无刷直流电动机空载磁场87无刷直流电动机空载磁场88无刷直流电动机空载磁场89无刷直流电动机空载磁场90无刷直流电动机永磁转子六极永磁无刷直流电动空载磁场91增磁时的CPPM无刷电机92无刷直流电动机永磁转子0ΦBΦΦcFF0AB123rΦ1－空载特性曲线2－负载特性曲线3－永磁体退磁曲线空载工作点负载工作点磁钢的空载和负载工作点93无刷直流电动机永磁转子磁钢的低温和高温工作点AΦBΦ'rΦΦcFF0AB123rΦ'cF1－负载特性曲线2－永磁体低温退磁曲线3－永磁体高温退磁曲线低消耗温工作点高温工作点94█定子绕组无刷直流电动机电机本体95无刷直流电动机绕组型式█整数槽分布绕组（q＝整数）█分数槽分布绕组（q＝分数）█变压器式绕组（螺线管式绕组）96无刷直流电动机整数槽绕组█某三相无刷直流电动机，定子槽数Z＝12，极数2P＝4，q＝12/4×3＝1。97无刷直流电动机整数槽绕组A1,72,84,103,96,125,11YZBXC601槽电动势星形图顺接线圈反接线圈A相1,74,10B相3,96,12C相5,112,8三相分相结果（q=1）98无刷直流电动机整数槽绕组单层整距分布绕组展开图123456789101112ABCXYZNSNS99无刷直流电动机整数槽绕组A相双层短距分布绕组展开图NSNS123456789101112NAX100█某三相无刷直流电机，定子槽数Z＝15，极数2P＝4，q＝15/4×3＝5／4。