永磁无刷直流电机的应用

重庆文理学院成人高等教育 毕 业 论 文 论文题目：稀土永磁无刷直流电机技术应用 论文作者： 陈 朝 靖 指导老师： 李 春 燕 讲 师 专业班级： 2008级电子信息科学与技术 学 号： 31144500606 提交论文日期：2010 年 11 月 10 日 论文答辩日期：2010 年 11 月 20 日 中国重庆 2010年11月 目 录 TOC \o "1-3" \h \z \u 摘要: I Abstract: II 1引言 3 2永磁无刷直流电动机的应用 3 2．1无刷电动机 3 2．2永磁无刷直流电动机 4 3无刷直流电动机的工作原理 5 3.1 基本工作原理 5 3.2 无刷直流电动机的电磁转矩 6 3.3 与一般异步电动机的比较. 7 4无刷直流电机与异步机加变频器的比较 7 5稀土永磁无刷直流电动机 8 5．1稀土永磁无刷直流电动机 8 5．2稀土永磁无刷直流电动机特点 10 5．3二种电机在不同控制方式下的比较 10 6稀土永磁无刷直流电动机应用的前景 11 7总结 12 参考文献 12 致谢语 12 稀土永磁无刷直流电机技术应用 重庆工商学校电子信息科学与技术专业 2008级本科班 [陈朝靖] 摘要: 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。 关键词:无刷直流电机, 永磁同步电机, 直流变频, 钕铁硼 Brushless DC motor technology papers Chongqing Technology and Business School Professional Electronic Information Science and Technology 2008(Undergraduate) [Chen Chaojing] Abstract: Brushless direct current motor has the same dc motor output characteristics, also named BLDC. BLDC have higher output torque in low speed, higher efficiency and speed precision than any control modes of frequency converter drives. This chapter introduce capacity up to 400kW for the industrial application. Key words:Brushless direct current motor, Permanent magnetic, synchronous motor BLDC NdFeB 1引言 目前，人们对大功率永磁直流无刷电机研究基本上都是针对某项专门用途，这样做不仅费时费力，更重要的是没能充分利用资源，进行着大量的重复劳动。我们提出的系列化设计就是要打破这一局面，多、快、好、省的将大功率节能永磁无刷直流电机呈献给用户，造福人类。综上所述，开发制造系列大功率通用无刷直流电机不仅可以为人们提供一种崭新的调速电机，而且还可以显著提高对电能的利用率，达到节约用电的目的。发展大功率无刷直流电机还将带动工业控制技术的提高，带动电力电子技术的广泛应用，为永磁材料营造更大的应用空间，带领传统的中小型电机行业步入一个崭新时代。 2永磁无刷直流电动机的应用 2．1无刷电动机 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷直流电动机的学名叫“无换向器电机”或“无整流子电机”,是一种新型的无级变速电机,它由一台同步电机和一组逆变桥所组成,如图1所示: 图1无刷直流电机组成原理 它具有直流电机那样良好的调速特性,但是由於没有换向器,因而可做成无接触式,具有结构简单,制造方便,不需要经常性维护等优点,是一种现想的变速电机。 在工作原理上有二种不同的工作方式： (1)直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”,如图1所示。是将三相交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。 (2)交流无刷电动机:它是利用交-交变频器向同步机供给交流电。 无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机(下列图2是美国能源部针对各种不同调速电机效率比较). 图2 美国能源部针对各种不同调速电机效率比较图 2．2永磁无刷直流电动机 永磁无刷直流电动机是一种转子采用永久磁钢，电枢电流由电子线路进行无机械接触换向的电子运行电动机。永磁无刷直流电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成。电子换相电路一般由控制部分和功率驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成；永磁无刷直流电动机本体与有刷直流电动机不同，永磁无刷直流电动机是将定子绕组作为电枢，励磁绕组由转子上的永磁材料所取代，省去了励磁绕组、换向器和电刷。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序地触发驱动电路中的各个功率开关器件，进行有序换流，以驱使电动机转动。 永磁无刷直流电动机保持了直流电动机的优良的调速特性，但由于永磁无刷直流电动机无需转子激磁电流，因而比其它类型的电机具有更高的能量转换效率。由于省去了励磁绕组、换向器和电刷，永磁无刷直流电动机转速范围不受换向限制，转速可以做得很高。另外永磁无刷直流电机还具有高效率,高转矩,高精度的三高特点，无换向火花、可靠性高、噪音抵、寿命长、体积小、重量轻、控制简单等一些列显著优点。目前，是当今最高效率的调速电机,与传统直流有刷电机比较,或与交流变频调速比较均有更好的性能;在牵引电机电瓶车EV行业,取代传统直流有刷电机时除可以达到更高效率,更高激活转矩等特性外,由于采用方波驱动,让铅酸蓄电池有时间修补电极板,可以延长蓄电池的寿命,提高约1.3倍的电池容量,综合效率约可提高一倍左右的电池容量,大大的改善了电瓶车的性能.无刷直流电动机在先进国家已大量于军事、信息业(IT)、办公设备(OA)、家电业(HA)、DIY手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁旋浮列车等;经过本公司十多年的开发,生产容量已经达75kW,设计容量可达315kW,可以满足产业自动化及流体机械、空调机械的节电驱动应用. 小功率永磁无刷直流电动机已经广泛应用于宇航及信息电子领域，如控制人造卫星姿态的永磁直流无刷力矩电机、电脑磁盘驱动器的主轴马达、VCD/DVD的主轴马达等等。但作为大功率动力除了在电动车和空调器有少量应用。BLDCM可在≤Mmax负载转矩下起动，可在MN≤M≤Mmax负载下短时运行，可在≤MN下长时运行。美国能源部对各种驱动电机效率的比较，如图3示： 图3 美国能源部对各种驱动电机效率的比较 3无刷直流电动机的工作原理 3.1 基本工作原理 无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。无刷直流电动机的原理简图如图4所示： 图4 无刷直流电动机的原理简图 主电路是一个典型的电压型交—直—交电路，逆变器提供等幅等宽5-26KHz调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差1200的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的6状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1—T4导通、T1—T6导通、T3—T6导通、T3—T2导通、T5—T2导通、T5—T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1—T6功率管即按固定组合成6种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动600电角度，转子跟随定子磁场转动相当于600电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进600电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 3.2 无刷直流电动机的电磁转矩 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流—转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N•m） (1) 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） (2) 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） (3) 其中，Vm=δ•VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ•（VDC•Kt/2Ra）-Kt•（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。 无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速：Vc（max）ón max，那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比δ就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，δ减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。 由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，无刷直流电动机的力能指针（ηcosθ）比同容量三相异步电动机高12%-20%。 3.3 与一般异步电动机的比较. 由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电动机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。 中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。近30年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的，而无刷直流电动机的电流或电枢的端电压，就是直接控制电动机转矩的物理量。过去，由于稀土永磁体价格比较高等因素，限制了稀土永磁无刷直流电动机的应用领域，但是随着技术的不断创新，其价格已迅速下降，例如，我公司推出得BS系列无刷直流电动机的售价已与异步电动机和普通变频器售价之和相差无几。稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。 4无刷直流电机与异步机加变频器的比较 虽然当今交流变频调速非常普遍,但是变频调速受限于异步电机的低效率,电机运转在低速时转矩变小,谐波损耗大,速度变动率大,动态性能不佳等缺失;虽然采用速度死循环矢量控制或直接转矩控制变频器时其可以满足性能需要,但是购置费用偏高,而且异步电机的效率,功因,低速发热仍然无法改善. 我们在注塑机行业与变频器节能改造作比较,无刷直流电机的综合节电率比交流变频要高出20%以上,注塑机没有降低生产速度(变频器降低约3%),电机温升相差20℃. 在风机水泵压缩机的负载上,功率--速度曲线实际上应该达到三次方关系,但使用变频器驱动异步电机其曲线可能只有平方比例或稍差;采用无刷直流电机驱动其曲线可以接近三次方曲线特性,节电效果更好.无刷直流电动机、典型高效率异步电机、一般异步可变速电动机经变频器驱动后的效率曲线比较如图5所示： 图5 效率曲线比较图 ①BLDCM （无刷直流电动机） ②高效率异步机 ③一般异步机 5稀土永磁无刷直流电动机 5．1稀土永磁无刷直流电动机 电动机的控制实际上是转矩控制，电动机的体积大小决定于转矩的大小，所以选用电动机时，除了有关安装方式，防护等级以外，莫不以负载转矩—稳态负载转矩TL和扰动转矩ΔTL为中心来考虑电动机的选用。 (1)电动机的电磁转矩TM决定了电动机的体积D2LX TM=CMD2L其中CM称作电动机常数，它和电动机绕组绝缘等级、散热条件等密切相关。通常标定的电动机输出功率PN是在额定转速nN下连续输出额定转矩TN乘积关系，如果PN以（W）、T以（N•m）、nN以（r/min）表示，则 PN =0.1047TN•nN＝TN•ωN ωN是电动机的额定角速度， (rad/s) 所以，选用电动机（特别是调速应用的电动机）应该说：在XX-XX转速范围内电动机的连续额定转矩TN是多少，或者说：在最大工作转速为XXr/min电动机额定功率是多少。对一个调速比为D=nmax/nmin恒转矩TL运行的调速电动机来说，它的输出功率从Pmin=0.1047nminTL到Pmax=0.1047nmaxTL，如果D=100，则最大和最小输出功率之比为100:1。对于无刷直流电动机来说，转速增加后铁耗和风摩耗近似以转速的平方关系增加，所以输入功率增加比例更大。 (2) 负载的最大转矩 负载的等效转矩，Teq不得超过电动机连续额定转矩，负载的最大转矩不得超过电动机的允许过载转矩,如图6所示 图6 负载的等效转矩 (3)转动惯量 减速比i是电动机转速nM和负载转速nL之比，在不计减速机构效率时，两方功率平衡TM•nM= TL•nL，所以i= nM/nL，i= TL/TM，减速机构相当于放大了电动机的转矩，减小了电动机转速。负载转动惯量JL折算到电动机轴上的转动惯量JL’和电动机自身转动的惯量JM之和是：JL’ + JM = JL/i2+JM ，如果负载质量为m，以V为速度运动，则： 1/2mV2=1/2JLω2， JL=mV2/ω2 利用 JL’=JL/i2 , 得 JL’+JM=JL/i2+JM=J (4)减速比i的选择任何瞬时，以下方程都成立 TM=TL+Bω+J•dω/dt 其中TM是电动机输出转矩，TL是负载和库仑转矩之和，B是阻尼系数，J是系统转动惯量，TL、B、J都是折算到电动机轴上的等效资料，ω是电动机的角速度。对于系统转动惯量J大的系统宜选择大减速比i的减速机构。对于要求加速快而J又显著较大时，宜选用i=√JL/JM，就是选择i，使负载折算转动惯量JL’等于电动机转动惯量JM。过大的J•dω/dt容易引起负转速波动或震荡，因此应使ω缓变，避免ω突变；如果确需ω突变，则应选用伺服型系统，而不应选用任何一种类型的调速系统，如果J•dω/dt远大于TL、Bω，则在停机时，无刷电动机将在发电机状态工作，在这种状态下，直流母线电压会急剧增长，危及功率器件。为此需在直流母线上增加过压放电电路或使指令电压Vc缓变，使ωM逐渐降到安全角速度再切断速度指令。否则，需另加制动器以适应快速停转的需要。对于频繁启动或正反转的系统也应遵守软启动、软停止、再启动的原则，并且要核算等效电流Ieq Ieq=√∑Ii2•ti/∑ti ≤IN (5) 多台电动机的高速同步旋转 无刷直流电动机适应多台电动机中高速同步旋转，其转速相差不超过1%。这时需多台电动机共享一个速度指令，对于多台电动机相距远时，需用V/f-f/V变换技术来传递速度指令，防止速度指令电平Vc在传递中因衰减不同而引起指令误差。 (6) 恒张力（F）系统 恒张力（F）系统选用无刷直流电动机作为卷绕机构动力时，电动机的最高转速 ηmax=？，电动机的最大转矩Tmax=F•Dmax/2，其中Dmin和Dmax对应卷筒的最小和最大直径（m），V是卷绕物的线速度（m/min），F为恒张力（N），最大转矩Tmax（N•m），负载功率P=FV/60（W）。 5．2稀土永磁无刷直流电动机特点 稀土永磁无刷直流电机与交流变频调速电机系统比较有以下几大优点： ①制造成本更低 在相同输出功率的前提下，永磁直流无刷电机的制造成本约为交流变频调速电机系统的四分之三。 ②电机效率更高 一般要比同容量的交流变频调速系统高百分之五以上，比同容量的交流电机高百分之二以上。 ③调速性能更好，具有与有刷直流电机相同的调速特性，与交流电机变频调速系统相比不仅控制简单，而且调速范围更大、调速精度更高。 ④起动转矩更大 在相同的启动电流下，永磁无刷直流电机的启动转矩一般能做到交流异步机的三倍以上。 ⑤应用范围更广 大功率无刷直流电机可以替代直流调速电机、交流变频调速电机和电磁调速电机机组，广泛应用于建筑设施、医疗器械、交通工具、自动化仪表、航空航天、电动工具、风机、水泵和石油、化工及纺织等。下面列出一部分具体的用途： a.低电压井下电动凿岩机； b.城市高层建筑无塔上水器水泵的节能驱动； c.无梭织机的直接驱动，省去庞大、复杂的机械变速机构； d.环保电动汽车的动力装置； e.高性能电梯曳引机的变速驱动； f.游梁式抽油机、塔式抽油机； g.注塑机、压铸机。 5．3二种电机在不同控制方式下的比较 在永磁无刷直流电机的应用中经常会涉及到电动机的正反转，二种电机在不同控制方式下的效率比较如图7所示 图7 二种电机在不同控制方式下的效率比较 6稀土永磁无刷直流电动机应用的前景 我国无刷直流电动机的发展正处于成长发展期，推动产品商品化，产业化和普及化的条件已经成熟。主要表现在：理论、设计和初中提供了技术基础我国从七十年代开始跟踪这项新技术，对电机运动控制系统中应用脉宽调制技术(PWM)，脉幅调制技术(PAM)和正弦宽调制技术(SPWM)进行深入研究和实践，为无刷直流电机的发展提供了技术基础。电机控制器件的来源有了保证。改革开放后，国外各大导体器件厂商抢滩中国市场，使国内方便到世界当今最先进的电机专用的大规模集成路驱动器器件、大功率开关器件、高性能微处理器，DSP数字信号处理器，MOSFET功率器件和IG功率模块等，价格也比过去更加便宜，为推出性能优良、价格低廉的无刷直流电动机提供了器件来源稀土永磁材料生产已形成规模。 我国是稀土元素矿藏大国，有着丰富的资源优势。特别是第三代稀土永磁材料-钕铁硼(NdFeB)磁钢的性能不断提高，价格便宜，为我国无刷电机的规模生产，提供了可靠的材料来源。专用生产装备的制造和专业化生产协作得到发展通过改革和结构高速，电机行业的规模化生产，零部件专业化协作及生产装备、测试设备的制造、供应已成体系，无刷直流电机的专用生产设备如线圈绕制、嵌线、定子塑封、充磁装置等已有产品。国内外市场有迫切需求。 　　由于国内稀土永磁材料价格仅为国际市场价的1／3-1／4，并且劳务费用低，随着国外永磁无刷电动机的需求的增长，国外商家关注中国，为我国产品出口提供商机。国内特别是家电行业，近年不断推出配置无刷直流电机的电器产品，大力宣传其优越性和节能效果，就是国内无刷直流电机需求升温的标志。目前，国内研发和生产的无刷直流电机品种和数量不多，主要用于军事国防设备。近年来在空调器、冰箱、洗衣机、电动自行车、微型风机等应用的，一般是输出功率不大的微型与特种无刷直流电机。 7总结 毕业设计是学校生活中最后阶段的工作，是真正考验能力的一项教学内容，从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。回顾所学的知识，寻找方向，确定题目，查找资料到开始着手写，我受益匪浅。在这次毕业设计的过程中， 因为语言组织能力是在太差，很多话想说说不出来，说出来的部分又感觉有点口语化，不像是写论文了。以前总是把这归结于语文成绩太滥，其实看的多了，想得多了，自然，能写出来的东西也就多了，所以说不出来的根本原因是自己平时就很少看这方面资料，每次都是不进棺材不掉泪，硬要等待最后了，才知道要急了，而以这样的速度赶制出来的东西质量是很低的。 参考文献 [1]许大中.晶闸管无换向器电机[M].北京:出版社,1984年 [2] 张琛. 直流无刷电动机原理及应用[M]. 北京: 机械出版社， [3]邱国平.永磁直流电机实用设计及应用设计[M].北京:机械工业出版社,2009年 [4]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京:科学出版社,2009年 [5]郭庆鼎.现代永磁电动机交流伺服系统[M].北京:中国电力出版社,2006年 [6]周扬忠.交流电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,2010年 [7]李发海.电机学[M].北京:科学出版社,2006年 [8]魏静微.小功率永磁电机原理与应用[M].北京:机械工业出版社2009年 致谢语 通过本次毕业设计,我在指导老师李春燕的精心指导和严格督促下,获得了丰富的理论知识, 并对当前电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，极大的提高了自己的动手能力和思考能力, 在老师渊博的知识，敏锐的思路的带领下，我认真思考，不断地尝试，不断地总结，老师也不断的为我讲解，给予我极大的帮助，在此由衷的感谢老师。 同时还要感谢在此过程中，给我帮助的同学和老师们，谢谢你们！在未来的工作和学习中我将以更加优秀的成绩来回报各位老师和同学！