現(xiàn)代無刷直流永磁電動機的原理和設(shè)計

前言

　　本書所述的現(xiàn)代無刷直流永磁電動機是指由直流電源供電的，或由交流電源經(jīng)過整流后的直流電源供電的，并具有傳統(tǒng)直流電動機運行性能的無刷直流永磁電動機（BLDCM）和自控式永磁同步電動機（PMSM）。近30年來，隨著永磁材料、微電子器件、電力電子器件、變流技術(shù)、電機技術(shù)、計算機技術(shù)及其控制理論的進步，現(xiàn)代無刷直流永磁電動機得到了很大的發(fā)展，使之被廣泛地用于機床、制紙機械、紡織機械、汽車、機器人、視聽設(shè)備、信息情報機械、計算機外部設(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)代直流無刷永磁電動機已成為完成各種特殊功能的伺服驅(qū)動機構(gòu)的核心部件?！　”緯卜?章。第1章：無刷直流永磁電動機（BLDCM）。本章比較系統(tǒng)地描述了無刷直流電動機的工作原理、轉(zhuǎn)子位置傳感器和霍爾元件的配置、分數(shù)槽電樞繞組、含有永磁體的磁路計算、等效磁路圖、永磁體的最佳工作點和磁鐵工作圖、電樞反應和電路系統(tǒng)的計算，對不同氣隙磁場波形下的參數(shù)計算公式進行了推導和說明，并附有兩個設(shè)計例題，以供參考。本章是在《無刷直流電動機》一書的基礎(chǔ)上編寫的。該書是由張頡明、施民生、徐思海、崔海大和作者一起，在總結(jié)多年從事永磁電機和無刷直流電動機的科研工作的基礎(chǔ)上，于1982年編寫而成，該書是我國第一本論述無刷直流永磁電動機的專著（科學出版社出版）。在過去的二十余年里，該書深受教育、科研和生產(chǎn)等企事業(yè)部門的科技人員的歡迎，實用效果顯著，起到了先導作用?，F(xiàn)根據(jù)當前新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的具體發(fā)展情況，作者在《無刷直流電動機》一書的基礎(chǔ)上重新整理編寫，其目的是；一方面使內(nèi)容更為貼切，滿足讀者的要求；另一方面是對往年一起工作的同志的回憶和紀念。第2章：自控式永磁同步電動機（PMSM）。本章著重描述了永磁同步電動機的典型結(jié)構(gòu)和運行機制、三相整流／逆變器和脈寬調(diào)制、坐標變換和磁場取向控制、主要尺寸的確定、等效磁路圖、相對單位坐標系內(nèi)的磁鐵工作圖和主要參數(shù)計算，并附有兩個設(shè)計例題，以供參考。第3章：電動機的應用。本章著重描述了驅(qū)動系統(tǒng)的基本運動方程式、慣量計算、負載慣量和負載力矩的歸算、幾種典型的功率傳輸機構(gòu)和負載運動方式、電動機的估算、各類電動機的比較和選用，以便用戶能合理地選用不同的電動機；同時，希望電動機和控制器設(shè)計人員能更正確地理解用戶提出的技術(shù)要求，從而更合理地設(shè)計和制造不同的電動機，以便更好地滿足用戶的需求。本書附錄有：物理單位換算、永磁材料的特性曲線和參數(shù)、常用軟磁材料的特性曲線和參數(shù)、電樞繞組的導線規(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

本書以基本理論分析為依據(jù)，從工程設(shè)計和應用的觀點出發(fā)，比較詳盡地論述了無刷直流永磁電動機和自控式永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、基本概念和設(shè)計要點。在第1章中著重分析了電子換向(相)和電樞繞組的導通順序、分數(shù)槽繞組、霍爾傳感器件的應用、無轉(zhuǎn)予位置傳感器的無刷直流永磁電動機、電樞反應的去磁作用和以磁鐵工作圖為基礎(chǔ)的電磁計算，并附有設(shè)計例題；在第2章中著重分析了永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)運行、變流技術(shù)、正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)、空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)、無接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器的應用、磁場取向控制(FOC)、電樞反應的去磁作用和以相對單位坐標系內(nèi)的磁鐵工作圖為基礎(chǔ)的電磁計算，并附有設(shè)計例題；在第3 章中著重分析了不同運動形式下的負載慣量和負載力矩的計算和歸算方法、幾種典型功率傳輸機構(gòu)中的電動機估算實例和不同電動機特性的綜合分析和比較。    本書可供從事無刷直流永磁電動機和白控式永磁同步電動機的科研、開發(fā)、設(shè)計、制造、測試和應用等領(lǐng)域的科技人員參考，也可作為高等學校電機和自動控制等專業(yè)的本科生、研究生和教師的自學參考書。

書籍目錄

緒論第1章 無刷直流永磁電動機  1.1 無刷直流永磁電動機的工作原理  1.2 無刷直流永磁電動機的結(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 分數(shù)槽電樞繞組    1.4.1 分數(shù)槽繞組的基本概念    1.4.2 分數(shù)槽繞組的對稱條件    1.4.3 分數(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    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)子位置傳感器在無刷直流永磁電動機中的工作情況  1.6 無刷直流永磁電動機的電樞反應  1.7 無刷直流永磁電動機的正反轉(zhuǎn)    1.7.1 無刷直流永磁電動機正反轉(zhuǎn)的原理    1.7.2 無刷直流永磁電動機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的方法  1.8 無刷直流永磁電動機的驅(qū)動控制實施例  1.9 無轉(zhuǎn)子位置傳感器的無刷直流永磁電動機    1.9.1 基本數(shù)學方程式    1.9.2 利用反電動勢的過零點來測轉(zhuǎn)子位置    1.9.3 自啟動問題    1.9.4 無轉(zhuǎn)子位置傳感的無刷直流永磁電動機的基本框圖    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    1.10.1 永磁材料的基本特性    1.10.2 無刷直流永磁電動機的磁路結(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算的特點  1.11 電路系統(tǒng)的計算    1.11.1 電樞繞組和電子換相(向)電路形式的選擇    1.11.2 基本計算公式的推導    1.11.3 電路參數(shù)Wφ和qC的計算  1.12 設(shè)計舉例第2章 自控式永磁同步電動機(PMSM)  2.1 永磁同步電動機的典型結(jié)構(gòu)  2.2 永磁同步電動機的典型等效磁路圖  2.3 永磁同步電動機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 永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)運行性能    2.5.1 永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)運行時的主要技術(shù)經(jīng)濟指標    2.5.2 電動機運行狀態(tài)與發(fā)電機運行狀態(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機    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(無接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器)    2.6.6 自控式永磁同步電動機的磁場取向控制  2.7 自控式永磁同步電動機的設(shè)計    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 永磁同步電動機經(jīng)受到的最大去磁作用    2.7.6 相對單位坐標系內(nèi)的永磁同步電動機的磁鐵工作圖    2.7.7 校驗轉(zhuǎn)子永磁體的尺寸  2.8 設(shè)計例題第3章 電動機的選用  3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行特性    3.1.1 電動機穩(wěn)態(tài)運行時的基本電氣方程式    3.1.2 電動機穩(wěn)態(tài)運行時的機械特性    3.1.3 驅(qū)動系統(tǒng)的基本機械運動方程式  3.2 驅(qū)動系統(tǒng)的分析計算    3.2.1 慣量的計算    3.2.2 負載力矩和負載慣量的歸算    3.2.3 五種典型的功率傳輸機構(gòu)    3.2.4 負載慣量J1和電動機慣量JM的匹配    3.2.5 無刷直流永磁電動機和自控式永磁同步電動機的技術(shù)規(guī)格    3.2.6 電動機的估算實例  3.3 綜合分析和比較    3.3.1 整體式電動機與分裝式電動機的比較    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 無線無刷直流永磁電動機與2-線無刷直流永磁電動機的比較    3.3.9 無刷直流永磁電動機(BLDCM)與自控式永磁同步電動機(PMSM)的比較    3.3.10 無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機的比較附錄I 常用物理單位換算附錄II 常用軟磁材料的特性曲線和參數(shù)附錄III 永磁材料的特性曲線和參數(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 電樞繞組的導線規(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

章節(jié)摘錄

　　1.5 轉(zhuǎn)子位置傳感器（霍爾磁敏傳感器）　　轉(zhuǎn)子位置傳感器在無刷直流永磁電動機中，主要起兩個作用，一是通過它檢測出轉(zhuǎn)子永磁體磁極相對定子電樞繞組所處的位置，以便確定電子換向（相）驅(qū)動電路中功率晶體管的導通順序；二是確定電子換向（相）電路驅(qū)動電路中功率晶體管的導通角，從而確定電樞磁場的磁狀態(tài)。為了實現(xiàn)這兩個目的，工程上可以采用無接觸式旋轉(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，有不同的特點和不同的應用場合?，F(xiàn)將它們各自的優(yōu)缺點列于表1.10，供選用時參考?！　o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。無接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器除了結(jié)構(gòu)復雜、體積較大和制造成本較高等缺點外，它具有安裝定位方便、輸出信號大、精度高、對環(huán)境條件要求不嚴、溫度適應范圍寬、工作穩(wěn)定可靠，以及容易與電子換向電路的輸入阻抗實現(xiàn)阻抗匹配等一系列優(yōu)點。因此，旋轉(zhuǎn)變壓器被廣泛地用于精密數(shù)控機床、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)點的同時，存在著對環(huán)境條件要求嚴、溫度適應范圍窄和可靠性差等缺點。因此，霍爾磁敏傳感器被廣泛地用于計算機的軟硬盤驅(qū)動器、激光打印機、視聽設(shè)備和家用電器等民用電動機產(chǎn)品中。

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