[工学]第10章 无刷直流电动机.pptVIP

第10章 无刷直流电动机 10.1 概述 10.2 无刷直流电动机的基本结构 10.3 无刷直流电动机工作原理 10.4 无刷直流电动机的运行特性 10.5 无刷直流电动机的电枢反应 10.6 改变无刷直流电动机转向的方法 思考题与习题 10.1 概 述 直流电动机主要优点是调速和启动特性好， 堵转转矩大， 因而被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。 但是， 直流电动机都有电刷和换向器， 其间形成的滑动机械接触严重地影响了电机的精度、 性能和可靠性， 所产生的火花会引起无线电干扰， 缩短电机寿命， 换向器电刷装置又使直流电机结构复杂、 噪音大、 维护困难， 因此长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。 随着电子技术的迅速发展， 各种大功率电子器件的广泛采用， 这种愿望已被逐步实现。 本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器， 使这种电机既具有直流电动机的特性， 又具有交流电动机结构简单、 运行可靠、 维护方便等优点； 它的转速不再受机械换向的限制， 若采用高速轴承， 还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行。 因此， 无刷直流电动机用途非常广泛， 可作为一般直流电动机、 伺服电动机和力矩电动机等使用， 尤其适用于高级电子设备、 机器人、 航空航天技术、 数控装置、 医疗化工等高新技术领域。 无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体， 把先进的电子技术应用于电机领域， 这将促使电机技术更新、 更快的发展。 无刷直流电动机是由电动机、 转子位置传感器和电子开关线路三部分组成， 它的原理框图如图10 - 1所示。 图中直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电， 电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止， 从而控制电动机的转动。 10.2 无刷直流电动机的基本结构 无刷直流电动机的基本结构如图10 - 2所示。 图中电动机结构与永磁式同步电动机相似， 转子是由永磁材料制成一定极对数的永磁体， 但不带鼠笼绕组或其它启动装置， 主要有两种结构型式， 如图10 - 3(a)和(b)所示。 第一种结构是转子铁心外表面粘贴瓦片形磁钢， 称为凸极式； 第二种结构是磁钢插入转子铁心的沟槽中， 称为内嵌式或隐极式。 初期永磁材料多采用铁氧体或铝镍钴， 现在已逐步采用高性能钐钴或钕铁硼。 定子是电动机的电枢。 定子铁心中安放着对称的多相绕组， 可接成星形或封闭形(角形)， 各相绕组分别与电子开关线路中的相应晶体管相连接。 电子开关线路有桥式和非桥式两种。 图10 - 4表示常用的几种电枢绕组连接方式， 其中图(a)、 (b)是非桥式开关电路， 其它是桥式开关电路。 10.2.1 电磁式 这种传感器的结构如图10 - 5所示。 它由定子和转子两部分组成。 定子磁心及转子上的扇形部分均由高频导磁材料(如软磁铁氧体)制成， 导磁扇形片数等于电机极对数， 放置在不导磁的铝合金圆盘上制成了转子。 传感器定子由磁心和线圈组成， 磁心的结构特点是中间为圆柱体， 安放励磁绕组， 外施高频电源励磁。 圆周上沿轴向有凸出的极， 极上套着信号线圈产生信号电压。 可以看出， 这实际上是一个有共同励磁线圈的几个开口变压器， 扇形导磁片的作用是使开口变压器铁心接近闭合， 减少磁阻， 使信号线圈感应出较大的电势。  10.2.2 光电式 光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成， 如图10 - 6所示。 遮光盘上按要求开出光槽(孔)， 几个光电耦合开关沿着圆周均布， 每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管(或激光器)和光电管(光电二极管， 三极管或光电池)所组成。 红外发光二极管(或激光器)通上电后， 发出红外光(或激光)； 当遮光盘随着转轴转动时， 光线依次通过光槽(孔)， 使对着的光电管导通， 相应地产生反应转子相对定子位置的电信号， 经放大后去控制功率晶体管， 使相应的定子绕组切换电流。 光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱， 需要经过放大才能去控制功率晶体管。 但它输出的是直流电信号， 不必再进行整流， 这是它的一个优点。 10.2.3 霍尔元件 采用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机通常称为“霍尔无刷直流电动机”。 由于无刷直流电动机的转子是永磁的， 就可以很方便地利用霍尔元件的“霍尔效应”检测转子的位置。 图10 - 7表示四相霍尔无刷直流电动机原理图。 图中两个霍尔