永磁无刷直流电机技术

《永磁无刷直流电机技术》

前言

第1章绪论1

1.1无刷直流电动机是最具发展前途的机电一体化电机1

1.2无刷直流电动机的技术优势3

1.321世纪是永磁无刷直流电动机广泛推广应用的世纪5

1.4推动无刷直流电动机技术和市场蓬勃发展的主要因素8

1.5无刷直流电动机技术发展动向9

1.6小结11

参考文献12

第2章方波驱动与正弦波驱动的原理和比较13

2.1无刷直流电动机（bldc）与永磁同步电动机（pmsm）13

2.2方波驱动和正弦波驱动的转矩产生原理13

2.3无刷直流电动机与永磁同步电动机的结构和性能比较15

2.4小结19

参考文献20

第3章无刷直流电动机的绕组连接与导通方式及其选择21

3.1常见绕组连接与导通方式22

3.1.1两相绕组电机连接与导通方式22

3.1.2四相绕组电机连接与导通方式23

.3.1.3三相绕组电机连接与导通方式25

3.1.4五相星形绕组电机连接与导通方式26

3.1.5小结28

3.2两相、三相和四相不同绕组连接和导通方式的分析比较28

3.3绕组利用率和最佳导通角的分析29

3.3.1桥式电路封闭绕组与星形绕组30

3.3.2非桥式m相无刷直流电动机最佳导通角的分析30

3.3.3小结33

3.4桥式换相的三相绕组-接法和接法的分析与选用33

3.4.1三相无刷直流电动机和-两种绕组接法及其转换关系34

3.4.2同一台电机采用三角形与星形接法的比较35

3.4.33次谐波环流和采用三角形接法条件36

3.4.4应用实例37

3.4.5小结39

3.5在相同铜损耗条件下几种不同相数、不同导通角电机转矩的比较39

参考文献40

第4章无刷直流电动机数学模型、特性和参数41

4.1无刷直流电动机简化模型和基本特性41

4.1.1基本假设和简化模型基本等效电路41

4.1.2无刷直流电动机机械特性的统一表达式42

4.1.3理想空载点平均电流不等于零44

4.1.4无刷直流电机主要参数ke、kt、req和d45

4.1.5重要参数——粘性阻尼系数d46

4.1.6正弦波反电动势两相三相和四相绕组的系数ke、kt、kd计算48

4.1.7一个三相无刷直流电动机特性和系数计算例子50

4.2绕组电感对无刷直流电动机特性的影响52

4.3非桥式120°导通三相无刷直流电动机的非线性工作特性分析53

4.4计及绕组电感的三相无刷直流电动机数学模型和基本特性55

4.4.1换相过程分析和瞬态三相电流解析表达式56

4.4.2平均电流和平均电磁转矩表达式60

4.4.3平均电流和平均电磁转矩的简洁表达式和函数关系图61

4.4.4近似计算公式63

4.4.5转矩系数kt与反电动势系数ke63

4.4.6计及绕组电感的无刷直流电动机机械特性65

4.4.7图解法计算电机特性和实例验证66

4.4.8绕组电阻和电感值变化对电机特性的影响68

4.4.9小结69

4.5无刷直流电动机单回路等效电路与视在电阻rs70

4.6功率和效率、铜损耗和电流有效值计算71

4.7绕组电阻和电感的计算73

4.7.1电阻的计算73

4.7.2电感的计算73

4.7.3一个电感计算的例子74

参考文献75

第5章无刷直流电动机分数槽绕组和多相绕组77

5.1无刷直流电动机定子与绕组结构77

5.2无刷直流电动机的分数槽绕组77

5.2.1分数槽绕组的优点77

5.2.2分数槽绕组槽极数z0/p0组合约束条件79

5.2.3三相绕组节距y=1的分数槽集中绕组z0/p0组合条件80

5.2.4三相分数槽绕组的绕组系数计算87

5.2.5成对出现的槽极数组合89

5.2.6小结91

5.3分数槽集中绕组槽极数组合的选择与应用92

5.3.1单层绕组和双层绕组93

5.3.2定子磁动势谐波与转子涡流损耗96

5.3.3齿槽组合的lcm值与齿槽转矩的关系97

5.3.4z为奇数的齿槽组合与ump问题101

5.3.5负载下的纹波转矩103

5.3.6成对槽极数组合、槽极数比的选择104

5.3.7大小齿结构的集中绕组电机106

5.3.8小结108

5.4分数槽绕组电动势相量图和绕组展开图109

5.4.1相量图和绕组电动势相量星形图109

5.4.2分数槽集中绕组电动势相量星形图110

5.4.3三相分数槽集中绕组电机绕组展开图画法步骤110

5.5多相绕组111

5.5.1多相分数槽绕组的对称条件112

5.5.2五相分数槽集中绕组槽极数组合z0/（2p0）的分析113

5.5.3z为奇数的槽极数组合与ump问题116

5.5.4五相分数槽集中绕组电机的绕组系数计算117

5.5.5一个五相绕组连接和霍尔传感器位置的例子119

5.5.6小结120

5.6一种六相无刷直流电机绕组结构分析121

5.6.1六相无刷直流电机系统主要优点121

5.6.2两种六相无刷直流电动机绕组结构方案121

5.6.3两种绕组结构方案比较123

5.7定子铁心制造方法123

参考文献124

第6章磁路与反电动势126

6.1转子磁路结构126

6.1.1转子磁路基本结构形式126

6.1.2halbach阵列结构128

6.1.3转子结构选择实例130

6.2常用永磁材料及其在永磁无刷直流电动机中的应用131

6.2.1常用永磁材料131

6.2.2注塑、粘结、烧结永磁材料和磁环多极充磁134

6.3气隙磁通密度的分析计算134

6.3.1永磁无刷直流电动机磁路模型和等效磁路135

6.3.2表贴式结构气隙磁通密度计算137

6.3.3考虑气隙半径曲率的表贴式结构气隙磁通密度计算138

6.3.4埋入式结构气隙磁通密度计算140

6.3.5内置v形径向式气隙磁通密度计算140

6.3.6内置切向式气隙磁通密度计算141

6.4反电动势波形和反电动势计算142

6.4.1绕组形式对反电动势波形的影响142

6.4.2反电动势的计算145

6.5一个计算例子146

参考文献147

第7章转子位置传感器及其位置的确定148

7.1转子位置传感器的分类和特点148

7.2霍尔集成电路的选择与使用注意事项150

7.3位置传感器最少个数151

7.4位置传感器的安装方式151

7.5无刷电机霍尔传感器位置确定的原理152

7.5.1锁存型霍尔集成电路输出特性与极性的约定152

7.5.2霍尔传感器位置与三相磁动势轴线对应关系153

7.6分数槽集中绕组无刷电机霍尔传感器位置的分布规律和确定方法155

7.6.1分数槽集中绕组单元电机槽数z0为偶数的分析155

7.6.2分数槽集中绕组单元电机槽数z0为奇数的分析157

7.6.3霍尔传感器安放在齿顶中央158

7.6.4一种电动自行车用51/23分数槽集中绕组的例子160

7.6.5小结161

7.7一般分数槽绕组展开图和霍尔传感器位置确定方法161

参考文献163

第8章永磁无刷直流电动机的电枢反应164

8.1电枢反应磁动势分解为直轴和交轴分量的分析方法164

8.2基于直轴和交轴分量分析的传统观点165

8.3内置式转子结构电枢反应磁动势的影响166

8.4基于电枢反应磁动势分布图的电枢反应磁场与永磁磁场叠加的分析方法166

8.5电枢反应磁动势对最佳换相位置的影响和超前换相方法168

8.6电机设计时需考虑电枢反应的最大去磁作用170

8.7分数槽集中绕组电机的电枢反应171

8.8分数槽集中绕组电机转子永磁体内产生涡流损耗172

8.9小结175

参考文献175

第9章无刷直流电动机的转矩波动177

9.1产生转矩波动的原因177

9.2换相转矩波动分析181

9.2.1只考虑电感、忽略绕组电阻的换相转矩波动分析181

9.2.2考虑绕组电阻和电感换相过程的换相转矩波动分析183

9.2.3换相时间t1的计算与t1/t=1条件的分析185

9.2.4一个电机的计算例子186

9.2.5小结187

9.3抑制换相转矩波动的控制方法188

9.4pwm控制方式对换相转矩波动的影响189

参考文献191

第10章永磁无刷直流电动机的齿槽转矩及其削弱方法193

10.1永磁无刷直流电动机的齿槽转矩193

10.2齿槽转矩的解析表达式194

10.3采用分数槽绕组196

10.4转子磁极极弧系数的选择200

10.5不等厚永磁体和不均匀气隙方法204

10.6定子斜槽、转子斜极或转子磁极分段错位方法205

10.7磁极偏移方法206

10.8定子铁心齿冠开辅助凹槽方法207

10.9槽口宽度的优化210

10.10降低齿槽转矩实例212

10.11小结213

参考文献214

第11章电机设计要素的选择与主要尺寸的确定216

11.1设计技术要求与典型设计过程216

11.2无刷电机cad软件简介217

11.3若干设计要素的选择217

11.4定子裂比的选择223

11.5由电磁负荷确定电机主要尺寸的方法225

11.5.1电磁负荷与主要尺寸关系式、电机利用系数225

11.5.2定子绕组电流密度j与热负荷aj227

11.5.3一些设计参考数据228

11.5.4单位转子体积转矩（trv）228

11.5.5主要尺寸基本关系式在考虑电感影响时的修正和一个电机例子的验证228

11.5.6由电磁负荷确定电机主要尺寸方法的不确定性230

11.6由粘性阻尼系数d确定电机主要尺寸的方法230

11.7一个电机主要尺寸计算例子231

参考文献234

第12章无刷直流电动机基本控制技术235

12.1无刷直流电动机控制概述235

12.1.1无刷直流电动机电子控制器基本组成235

12.1.2无刷直流电动机控制的发展236

12.1.3开环和闭环控制系统237

12.2起停控制和软起动238

12.3正反转方法和转向控制239

12.4制动控制241

12.5转速反馈信号的简易检出方法243

12.6无刷直流测速发电机243

12.7几种电压调节方法与pwm脉宽调制245

12.8保护电路和电流的采样247

12.9电流波形与提前关断技术249

12.10无刷直流电动机逆变器拓扑结构250

12.11六开关三相逆变器拓扑结构和栅极驱动253

12.12四开关三相逆变器的工作原理与控制254

12.13以绕组切换方式扩展转速范围256

12.14几种无刷直流电机实用控制电路例259

12.14.1基于ucc3626的速度控制电路259

12.14.2高压450v三相无刷直流电动机驱动电路259

12.14.3微控制器mcu与l6235组合的驱动控制电路265

参考文献266

第13章无刷直流电动机无位置传感器控制268

13.1反电动势检测法268

13.1.1反电动势过零法269

13.1.2反电动势积分及参考电压比较法271

13.1.3反电动势积分及锁相环法271

13.1.4续流二极管法272

13.23次谐波反电动势检测法272

13.3定子电感法275

13.4g（θ）函数法275

13.5扩展卡尔曼滤波法276

13.6状态观测器法277

13.7利用微控制器和数字信号处理器的无传感器控制277

13.7.1利用st7mc微控制器的反电动势过零法无传感器控制的例子278

13.7.2利用mc56f8013微控制器的反电动势过零法无传感器控制的例子279

参考文献280

第14章无刷直流电动机低成本正弦波驱动控制282

14.1低成本正弦波驱动控制的需求282

14.2利用线性霍尔元件作转子位置传感器的正弦波驱动283

14.3利用开关型霍尔集成电路作转子位置传感器的正弦波驱动283

14.3.1基于低分辨率转子位置信息的高分辨率转子位置识别新思路283

14.3.2atmel公司的attiny261/461/861系列正弦波微控制器285

14.3.3东芝公司正弦波控制器和驱动器专用芯片287

14.4无传感器技术在正弦波驱动中的应用290

参考文献292

第15章单相无刷直流电动机与控制293

15.1单相无刷直流电动机的工作原理与结构293

15.2四种不对称气隙结构的转矩分析比较295

15.3单相无刷直流电动机的超前换相与滞后换相分析297

15.4单相无刷直流风机特性和基本换相电路298

15.5无刷直流风机在计算机等电子设备中使用的若干问题301

15.6用于光盘驱动器主轴中的单相无刷直流电动机303

参考文献305

附录306

附录a作者已发表的相关文献306

附录b几种霍尔集成电路数据表308

附录c分数槽集中绕组系数表310

附录d平均电流比ka平均电磁转矩比kτ和kt/ke比的函数表312

附录egb/t 21418—2008永磁无刷电动机系统通用技术条件314