合肥工業(yè)大學(xué)2011屆畢業(yè)論文第1頁共28頁開題報告一、背景、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢經(jīng)過多年的開發(fā)，無刷直流電動機(jī)在先進(jìn)國家已大量用于軍事、信息業(yè)、辦公設(shè)備等，同時具有體積小、重量輕，可作成各種體積、形狀，是當(dāng)今最高效率的調(diào)速電機(jī)，無刷直流電動機(jī)的基本工作原理：無刷直流電動機(jī)由同步電動機(jī)和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同步電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似，驅(qū)動器由功率器件和集成電路等構(gòu)成，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動。無刷直流電機(jī)因沒有碳刷與換向器，沒有維修與保養(yǎng)的需要，由于采用永磁轉(zhuǎn)子，沒有激磁損耗，綜合效率比傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)高出10-20%，不受電壓與負(fù)載變動的影響，電機(jī)可以做成密閉型或防塵防爆型等結(jié)構(gòu)，因此能完全取代傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)。當(dāng)今交流變頻調(diào)速非常普遍，但變頻調(diào)速受限于異步電機(jī)的低效率，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在低速時轉(zhuǎn)矩變小，諧波損耗大，速度變動率大，動態(tài)性能不佳等缺點(diǎn)，而無刷直流電機(jī)因為具有直流有刷電機(jī)的特性，同時也是頻率變化的裝置，又名直流變頻，國際通用名詞為BLDC，無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，低速轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好，所以值得業(yè)界關(guān)注。二、設(shè)計目的通過本次畢業(yè)設(shè)計使自己對無刷直流電動機(jī)在軍事、信息業(yè)、辦公設(shè)備等方面的應(yīng)用有更為充分、細(xì)致的理解，進(jìn)一步掌握其與傳統(tǒng)有刷直流電動機(jī)、異步電機(jī)加變頻器的比較及先進(jìn)之處。三、設(shè)計工作1概述2無刷直流電動機(jī)的工作原理3無刷直流電動機(jī)的選用4無刷直流電機(jī)在電動執(zhí)行器行業(yè)的應(yīng)用5依托無刷直流電動機(jī)6無刷直流電機(jī)與傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)的比較7無刷直流電機(jī)發(fā)展中要解決的問題8結(jié)論四、設(shè)計進(jìn)度1收集資料第六學(xué)期三月1、2周2論文寫作第六學(xué)期三月中旬到四月底3論文修改第六學(xué)期五月1、2周4論文答辯第六學(xué)期五月十五日合肥工業(yè)大學(xué)2011屆畢業(yè)論文第2頁共28頁目錄論產(chǎn)業(yè)用無刷直流電機(jī)的應(yīng)用3摘要31概述41.1無刷直流電動機(jī)簡介41.2無刷直流電動機(jī)的工作方式41.3無刷直流電機(jī)動的特點(diǎn)41.4無刷直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其作用52無刷直流電動機(jī)的工作原理72.1基本工作原理72.2工作原理簡圖72.3無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩82.4與異步電動機(jī)的比較93無刷直流電動機(jī)的選用103.1電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與體積的關(guān)系103.2負(fù)載的最大轉(zhuǎn)矩103.3轉(zhuǎn)動慣性103.4減速比i的選擇103.5多臺電動機(jī)的高速同步旋轉(zhuǎn)114無刷直流電機(jī)在電動執(zhí)行器行業(yè)的應(yīng)用124.1智能型變頻電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡介124.2無刷直流變頻電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)125依托無刷直流電動機(jī)145.1無刷直流電動機(jī)的外形圖145.2無刷直流電機(jī)產(chǎn)品規(guī)范146無刷直流電機(jī)與傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)的比較166.1與傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)的比較166.2各種直流電機(jī)的效果比較圖167無刷直流電機(jī)發(fā)展中要解決的問題177.1磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計計算177.2控制問題177.3不可逆退磁問題177.4成本問題178結(jié)論18謝辭19參考文獻(xiàn)20英文文獻(xiàn)Inverteroperationandmaintenance21中文翻譯26合肥工業(yè)大學(xué)2011屆畢業(yè)論文第3頁共28頁論產(chǎn)業(yè)用無刷直流電機(jī)的應(yīng)用摘要：產(chǎn)業(yè)用無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)及工作原理是傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)、異步機(jī)加變頻器無法替代的，體積小、重量輕，可做成各種體積形狀，是當(dāng)今最高效率的調(diào)速電機(jī)，因其具有直流有刷電機(jī)的特性，同時也是頻率變化的裝置，又名直流變頻，國際通用名詞為BLDC，無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、低速轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好，所以值得業(yè)界關(guān)注。關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)永磁同步電機(jī)直流變頻釹鐵硼Abstract：IndustrialbrushlessdcmotorofthecharacteristicandworkprincipleisthetraditionalhaveBLDCM,asynchronousmachineaddinverterirreplaceable,smallvolume,lightweight,canmakeitallsortsofvolumeshape,isthehighestefficiency,thecontrolmotorbecauseofitscharacteristicsofdchavebrushlessmotor,butalsochangeinfrequency,andthedevicenamedcfrequency,internationalgeneraltermforBLDC,brushlessdcmotoroperationefficiency,lowtorqueandspeedprecisionthananycontroltechnologyisstillgood,soworthinverterindustryattention.Keywords：BrushlessdcmotorPermanentmagnetsynchronousmotorDcfrequencyNdfeb合肥工業(yè)大學(xué)2011屆畢業(yè)論文第4頁共28頁1概述1.1無刷直流電動機(jī)簡介無刷直流電動機(jī)的學(xué)名叫“無換向器電機(jī)”或“無整流子電機(jī)”，是一種新型的無級變速電機(jī)，它由一臺同步電機(jī)和一組逆變橋所組成，如圖1所示。它具有直流電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性，但是由于沒有換向器，因而可做成無接觸式，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，不需要經(jīng)常性維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的變速電機(jī)。1.2在工作原理上有兩種不同的工作方式：(1)直流無刷電機(jī)：又稱“無換向器電機(jī)交一直一交系統(tǒng)”或“直交系統(tǒng)”，如圖1所示。是將三相交流電源整流后變成直流，再由逆變器轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流電，但是，注意此處逆變器是工作在直流斬波方式。(2)交流無刷電動機(jī)：它是利用交-交變頻器向同步機(jī)供給交流電。圖1無刷直流電動機(jī)1.3無刷直流電動機(jī)的特點(diǎn)：(1)容量范圍大：標(biāo)準(zhǔn)品可達(dá)400kW，更大容量可以訂制。(2)電壓種類多：直流供電，交流高低電壓均不受限制。(3)低頻轉(zhuǎn)矩大：低速可以達(dá)到轉(zhuǎn)矩輸出，激活轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到兩倍或更高。(4)高精度運(yùn)轉(zhuǎn)：不超過1rpm.(不受電壓變動或負(fù)載變動)。(5)高效率：所有調(diào)速裝置中效率最高，比傳統(tǒng)直流電機(jī)高出530%。(6)調(diào)速范圍：簡易型/通用型(1:10)，高精度型(1:100)，伺服型。(7)過載容量高：負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動在200%以內(nèi)輸出轉(zhuǎn)速不變。(8)體積彈性大：實(shí)際比異步電機(jī)尺寸小，可以做成各種形狀。(9)可設(shè)計成外轉(zhuǎn)子電機(jī)(定子旋轉(zhuǎn))。(10)轉(zhuǎn)速彈性大：可以幾10轉(zhuǎn)到106轉(zhuǎn)。(11)制動特性良好，可以選用四象限運(yùn)轉(zhuǎn)。(12)可設(shè)計成全密閉型，IP-54，IP-65，防爆型等均可。(13)允許高頻度快速激活，電機(jī)不發(fā)燙。合肥工業(yè)大學(xué)2011屆畢業(yè)論文第5頁共28頁(14)通用型產(chǎn)品安裝尺寸與一般異步電機(jī)相同，易于技術(shù)改造。1.4無刷直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其作用：無刷直流電動機(jī)BrushlessDirectCurrentMotor，BLDC，采用方波自控式永磁同步電機(jī)，以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料；產(chǎn)品性能超越傳統(tǒng)直流電機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，同時又解決了直流電機(jī)碳刷滑環(huán)的缺點(diǎn)，數(shù)字式控制，是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)(參考下列美國能源部針對各種不同調(diào)速電機(jī)效率比較圖)。本產(chǎn)品具有高效率、高轉(zhuǎn)矩、高精度的三高特點(diǎn)，同時具有體積小、重量輕、可作成各種體積形狀，是當(dāng)今最高效率的調(diào)速電機(jī)，與傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)比較，或與交流變頻調(diào)速比較均有更好的性能；在牽引電機(jī)電瓶車EV行業(yè)，取代傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)時，除可以達(dá)到更高效率，更高激活轉(zhuǎn)矩等特性外，由于采用方波驅(qū)動，讓鉛酸蓄電池有時間修補(bǔ)電極板，可以延長蓄電池的壽命，提高約1.3倍的電池容量，綜合效率約可提高一倍左右的電池容量，大大的改善了電瓶車的性能。無刷直流電動機(jī)在先進(jìn)國家已大量用于軍事、信息業(yè)(IT)、辦公設(shè)備(OA)、家電業(yè)(HA)、DIY手動工具、伺服系統(tǒng)、電動汽車、電瓶車、磁旋浮列車等，經(jīng)過十多年的開發(fā)，生產(chǎn)容量已經(jīng)達(dá)75kW，設(shè)計容量可達(dá)315kW，可以滿足產(chǎn)業(yè)自動化及流體機(jī)械、空調(diào)機(jī)械的節(jié)電驅(qū)動應(yīng)用。無刷直流電動機(jī)具有上述的三高特性，非常適合使用在24小時連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的產(chǎn)業(yè)機(jī)械及空調(diào)冷凍主機(jī)、風(fēng)機(jī)水泵、空氣壓縮機(jī)負(fù)載；低速高轉(zhuǎn)矩及高頻繁正反轉(zhuǎn)不發(fā)熱的特性，更適合應(yīng)用于機(jī)床工作母機(jī)及牽引電機(jī)的驅(qū)動；其穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)精度比直流有刷電機(jī)更高，比矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制速度閉環(huán)的變頻驅(qū)動還要高，性能價格比更好，是化調(diào)速驅(qū)動的最佳選擇。由于本產(chǎn)品具有彈性的尺寸及不同的電氣特性，除通用型G系列，高激活轉(zhuǎn)矩M系列外，每一種行業(yè)的應(yīng)用都不盡相同，因此用戶訂貨前必須提出電氣特性與機(jī)械尺寸的要求，圖2示出永磁無刷直流電動機(jī)與異步電動機(jī)變頻變壓的機(jī)械特性比較。圖2機(jī)械特性比較圖圖2機(jī)械特性比較圖合肥工業(yè)大學(xué)2011屆畢業(yè)論文第6頁共28頁注：1異步電動機(jī)變頻變壓2永磁無刷直流電動機(jī)（BLDCM）美國能源部對各種驅(qū)動電機(jī)效率的比較，如圖3所示圖3美國能源部對各種驅(qū)動電機(jī)效率的比較合肥工業(yè)大學(xué)2011屆畢業(yè)論文第7頁共28頁2無刷直流電動機(jī)的工作原理2.1基本工作原理無刷直流電動機(jī)由同步電動機(jī)和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同步電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。2.2工作原理簡圖無刷直流電動機(jī)的原理簡圖如圖4所示：主電路是一個典型的電壓型交直交電路，逆變器提供等幅等寬5-26KHz調(diào)制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的6狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1T4導(dǎo)通、T1T6導(dǎo)通、T3T6導(dǎo)通、T3T2導(dǎo)通、T5T2導(dǎo)通、T5T4導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，T1T6功率管即按固定