現(xiàn)代無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的原理和設(shè)計(jì)

前言

　　本書(shū)所述的現(xiàn)代無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)是指由直流電源供電的，或由交流電源經(jīng)過(guò)整流后的直流電源供電的，并具有傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)（BLDCM）和自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）。近30年來(lái)，隨著永磁材料、微電子器件、電力電子器件、變流技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及其控制理論的進(jìn)步，現(xiàn)代無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)得到了很大的發(fā)展，使之被廣泛地用于機(jī)床、制紙機(jī)械、紡織機(jī)械、汽車(chē)、機(jī)器人、視聽(tīng)設(shè)備、信息情報(bào)機(jī)械、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、醫(yī)療器械和家用電器等領(lǐng)域，尤其在兵器、航海、航空和航天等高科技領(lǐng)域內(nèi)，現(xiàn)代直流無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)已成為完成各種特殊功能的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部件。　　本書(shū)共分3章。第1章：無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)（BLDCM）。本章比較系統(tǒng)地描述了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理、轉(zhuǎn)子位置傳感器和霍爾元件的配置、分?jǐn)?shù)槽電樞繞組、含有永磁體的磁路計(jì)算、等效磁路圖、永磁體的最佳工作點(diǎn)和磁鐵工作圖、電樞反應(yīng)和電路系統(tǒng)的計(jì)算，對(duì)不同氣隙磁場(chǎng)波形下的參數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)和說(shuō)明，并附有兩個(gè)設(shè)計(jì)例題，以供參考。本章是在《無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)》一書(shū)的基礎(chǔ)上編寫(xiě)的。該書(shū)是由張頡明、施民生、徐思海、崔海大和作者一起，在總結(jié)多年從事永磁電機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的科研工作的基礎(chǔ)上，于1982年編寫(xiě)而成，該書(shū)是我國(guó)第一本論述無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的專(zhuān)著（科學(xué)出版社出版）。在過(guò)去的二十余年里，該書(shū)深受教育、科研和生產(chǎn)等企事業(yè)部門(mén)的科技人員的歡迎，實(shí)用效果顯著，起到了先導(dǎo)作用?，F(xiàn)根據(jù)當(dāng)前新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的具體發(fā)展情況，作者在《無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)》一書(shū)的基礎(chǔ)上重新整理編寫(xiě)，其目的是；一方面使內(nèi)容更為貼切，滿(mǎn)足讀者的要求；另一方面是對(duì)往年一起工作的同志的回憶和紀(jì)念。第2章：自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）。本章著重描述了永磁同步電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制、三相整流／逆變器和脈寬調(diào)制、坐標(biāo)變換和磁場(chǎng)取向控制、主要尺寸的確定、等效磁路圖、相對(duì)單位坐標(biāo)系內(nèi)的磁鐵工作圖和主要參數(shù)計(jì)算，并附有兩個(gè)設(shè)計(jì)例題，以供參考。第3章：電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。本章著重描述了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式、慣量計(jì)算、負(fù)載慣量和負(fù)載力矩的歸算、幾種典型的功率傳輸機(jī)構(gòu)和負(fù)載運(yùn)動(dòng)方式、電動(dòng)機(jī)的估算、各類(lèi)電動(dòng)機(jī)的比較和選用，以便用戶(hù)能合理地選用不同的電動(dòng)機(jī)；同時(shí)，希望電動(dòng)機(jī)和控制器設(shè)計(jì)人員能更正確地理解用戶(hù)提出的技術(shù)要求，從而更合理地設(shè)計(jì)和制造不同的電動(dòng)機(jī)，以便更好地滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。本書(shū)附錄有：物理單位換算、永磁材料的特性曲線(xiàn)和參數(shù)、常用軟磁材料的特性曲線(xiàn)和參數(shù)、電樞繞組的導(dǎo)線(xiàn)規(guī)格、常用三角函數(shù)公式和平面幾何定理等，以供有關(guān)工程技術(shù)人員參考和選用。

內(nèi)容概要

本書(shū)以基本理論分析為依據(jù)，從工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，比較詳盡地論述了無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)和自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、基本概念和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在第1章中著重分析了電子換向(相)和電樞繞組的導(dǎo)通順序、分?jǐn)?shù)槽繞組、霍爾傳感器件的應(yīng)用、無(wú)轉(zhuǎn)予位置傳感器的無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)、電樞反應(yīng)的去磁作用和以磁鐵工作圖為基礎(chǔ)的電磁計(jì)算，并附有設(shè)計(jì)例題；在第2章中著重分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、變流技術(shù)、正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)、空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)、無(wú)接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用、磁場(chǎng)取向控制(FOC)、電樞反應(yīng)的去磁作用和以相對(duì)單位坐標(biāo)系內(nèi)的磁鐵工作圖為基礎(chǔ)的電磁計(jì)算，并附有設(shè)計(jì)例題；在第3 章中著重分析了不同運(yùn)動(dòng)形式下的負(fù)載慣量和負(fù)載力矩的計(jì)算和歸算方法、幾種典型功率傳輸機(jī)構(gòu)中的電動(dòng)機(jī)估算實(shí)例和不同電動(dòng)機(jī)特性的綜合分析和比較。    本書(shū)可供從事無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)和白控式永磁同步電動(dòng)機(jī)的科研、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和應(yīng)用等領(lǐng)域的科技人員參考，也可作為高等學(xué)校電機(jī)和自動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)的本科生、研究生和教師的自學(xué)參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

緒論第1章 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)  1.1 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的工作原理  1.2 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)  1.3 電樞繞組的連接方式和電子換向(相)    1.3.1 電樞繞組的連接方式    1.3.2 電子換向(相)  1.4 分?jǐn)?shù)槽電樞繞組    1.4.1 分?jǐn)?shù)槽繞組的基本概念    1.4.2 分?jǐn)?shù)槽繞組的對(duì)稱(chēng)條件    1.4.3 分?jǐn)?shù)槽電樞繞組的連接方法  1.5 轉(zhuǎn)子位置傳感器(霍爾磁敏傳感器)    1.5.1 霍爾器件的工作原理    1.5.2 霍爾器件的分類(lèi)    1.5.3 霍爾器件的空間配置    1.5.4 霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的制作    1.5.5 霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器在無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中的工作情況  1.6 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)  1.7 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)    1.7.1 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的原理    1.7.2 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的方法  1.8 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制實(shí)施例  1.9 無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器的無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)    1.9.1 基本數(shù)學(xué)方程式    1.9.2 利用反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)來(lái)測(cè)轉(zhuǎn)子位置    1.9.3 自啟動(dòng)問(wèn)題    1.9.4 無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感的無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的基本框圖    1.9.5 控制軟件的基本結(jié)構(gòu)  1.10 永磁體磁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)    1.10.1 永磁材料的基本特性    1.10.2 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)與等效磁路圖    1.10.3 磁鐵工作圖    1.10.4 含有永磁體的磁路計(jì)算的特點(diǎn)  1.11 電路系統(tǒng)的計(jì)算    1.11.1 電樞繞組和電子換相(向)電路形式的選擇    1.11.2 基本計(jì)算公式的推導(dǎo)    1.11.3 電路參數(shù)Wφ和qC的計(jì)算  1.12 設(shè)計(jì)舉例第2章 自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)  2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)  2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的典型等效磁路圖  2.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式和向量圖  2.4 穩(wěn)態(tài)電磁參數(shù)  2.5 永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能    2.5.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)    2.5.2 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換    2.5.3 損耗和效率  2.6 自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)    2.6.1 基本工作原理    2.6.2 變流技術(shù)    2.6.3 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)    2.6.4 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)    2.6.5 轉(zhuǎn)子位置傳感器(無(wú)接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器)    2.6.6 自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)取向控制  2.7 自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)    2.7.1 定轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)的選擇    2.7.2 主要材料的選用    2.7.3 不同充磁方法的考慮    2.7.4 主要尺寸的決定    2.7.5 永磁同步電動(dòng)機(jī)經(jīng)受到的最大去磁作用    2.7.6 相對(duì)單位坐標(biāo)系內(nèi)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁鐵工作圖    2.7.7 校驗(yàn)轉(zhuǎn)子永磁體的尺寸  2.8 設(shè)計(jì)例題第3章 電動(dòng)機(jī)的選用  3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性    3.1.1 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本電氣方程式    3.1.2 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性    3.1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式  3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析計(jì)算    3.2.1 慣量的計(jì)算    3.2.2 負(fù)載力矩和負(fù)載慣量的歸算    3.2.3 五種典型的功率傳輸機(jī)構(gòu)    3.2.4 負(fù)載慣量J1和電動(dòng)機(jī)慣量JM的匹配    3.2.5 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)和自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格    3.2.6 電動(dòng)機(jī)的估算實(shí)例  3.3 綜合分析和比較    3.3.1 整體式電動(dòng)機(jī)與分裝式電動(dòng)機(jī)的比較    3.3.2 內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與外轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu)的比較    3.3.3 整體式控制器與分裝式控制器的比較    3.3.4 不同逆變器的比較    3.3.5 不同控制方法(模式)的比較    3.3.6 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的比較    3.3.7 二象限控制與四象限控制的比較    3.3.8 無(wú)線(xiàn)無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與2-線(xiàn)無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較    3.3.9 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)(BLDCM)與自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)的比較    3.3.10 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較附錄I 常用物理單位換算附錄II 常用軟磁材料的特性曲線(xiàn)和參數(shù)附錄III 永磁材料的特性曲線(xiàn)和參數(shù)  Ⅲ.1 鋁鎳鈷永磁   Ⅲ.2 釤鈷永磁體  Ⅲ.3 釹鐵硼永磁材料附錄IV 電樞繞組的導(dǎo)線(xiàn)規(guī)格附錄V 常用三角函數(shù)公式和平面幾何定理  V.1 三角函數(shù)公式  V.2 平面幾何定理 圭要參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.5 轉(zhuǎn)子位置傳感器（霍爾磁敏傳感器）　　轉(zhuǎn)子位置傳感器在無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，主要起兩個(gè)作用，一是通過(guò)它檢測(cè)出轉(zhuǎn)子永磁體磁極相對(duì)定子電樞繞組所處的位置，以便確定電子換向（相）驅(qū)動(dòng)電路中功率晶體管的導(dǎo)通順序；二是確定電子換向（相）電路驅(qū)動(dòng)電路中功率晶體管的導(dǎo)通角，從而確定電樞磁場(chǎng)的磁狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目的，工程上可以采用無(wú)接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式傳感器、高頻耦合式傳感器、磁阻元件傳感器和霍爾磁敏傳感器等。不同的傳感器，有不同的特點(diǎn)和不同的應(yīng)用場(chǎng)合?，F(xiàn)將它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)列于表1.10，供選用時(shí)參考。　　無(wú)接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾磁敏傳感器是目前被廣泛采用的兩種轉(zhuǎn)子位置傳感器。無(wú)接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大和制造成本較高等缺點(diǎn)外，它具有安裝定位方便、輸出信號(hào)大、精度高、對(duì)環(huán)境條件要求不嚴(yán)、溫度適應(yīng)范圍寬、工作穩(wěn)定可靠，以及容易與電子換向電路的輸入阻抗實(shí)現(xiàn)阻抗匹配等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，旋轉(zhuǎn)變壓器被廣泛地用于精密數(shù)控機(jī)床、軍事裝備和宇航技術(shù)領(lǐng)域之中?；魻柎琶魝鞲衅髟诰哂匈|(zhì)量輕、尺寸小、制造成本低和便于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，存在著對(duì)環(huán)境條件要求嚴(yán)、溫度適應(yīng)范圍窄和可靠性差等缺點(diǎn)。因此，霍爾磁敏傳感器被廣泛地用于計(jì)算機(jī)的軟硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、激光打印機(jī)、視聽(tīng)設(shè)備和家用電器等民用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中。

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