【教材】直流无刷电动机原理与技术应用 之一

直流无刷电动机原理与技术应用
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摘要:本书详细介绍了直流无刷电动机的基本结构组成、工作原理控制方法和典型应用作为直流无刷电动机的本体，着重讲述了电动机转子永磁材料特性和定子绕组，并对如何设计电动机作了整体上的概括性介绍。特别针对直流无刷电动机的特有结构、磁极位置传感器和电力电子开关换相器进行了细致的讨论，并对典型的高性能控制形式--矢量控制与其应用也作了介绍。
目录:
前言 ----------------2
第1章 直流有刷电动机与直流无刷电动机简介 ----------------8
1.1 直流电动机的工作原理与基本结构 ----------------9
1.1.1 工作原理 ----------------9
1.1.2 基本结构 ----------------10
1.2 直流无刷电动机的基本组成环节与工作原理 ----------------11
1.2.1 基本组成环节 ----------------11
1.2.2 基本工作原理 ----------------12
1.3 直流有刷电动机与直流无刷电动机的比较 ----------------14
1.3.1 左手定则与转矩常数 ----------------14
1.3.2 右手定则及反电动势常数 ----------------16
1.3.3 换向与换相 ----------------17
1.3.4 机械电刷与电子电刷的作用 ----------------18
1.4 直流无刷电动机的位置传感器 ----------------19
1.4.1 电磁感应式位置传感器 ----------------19
1.4.2 光电式位置传感器 ----------------20
1.4.3 磁敏式位置传感器 ----------------21
1.4.4 光电编码器式位置传感器 ----------------25
1.4.5 旋转变压器 ----------------29
1.5 直流无刷电动机的运行特性和传递函数 ----------------34
第2章 直流无刷电动机转子磁极的永磁材料基本特性及磁路计算 ----------------39
2.1 有关磁的基本知识 ----------------39
2.1.1 磁的基本现象 ----------------39
2.1.2 磁场与磁感应强度 ----------------40
2.1.3 磁通 ----------------41
2.1.4 电流的磁效应 ----------------41
2.1.5 磁场强度 ----------------43
2.2 磁滞回线和起始磁化曲线与去磁曲线 ----------------43
2.3 描述永磁材料特性的主要参数 ----------------44
2.3.1 饱和磁场强度H_s ----------------45
2.3.2 剩余磁感应强度B_r和矫顽力H_c ----------------45
2.3.3 磁导率和回复直线 ----------------46
2.3.4 磁能积(BH)和最大磁能积(BH)_(max) ----------------48
2.3.5 凸度系数γ ----------------48
2.4 等磁能积曲线 ----------------49
2.5 几种常用永磁材料的特性及磁路结构 ----------------50
2.5.1 铝镍钴合金永磁材料 ----------------50
2.5.2 铁氧体永磁材料 ----------------51
2.5.3 稀土永磁材料 ----------------53
2.6 去磁现象及其防止措施 ----------------55
2.6.1 转子磁极磁性能调试中的去磁调整 ----------------55
2.6.2 故障性去磁现象及其防止措施 ----------------56
2.7 磁路及其基本定律 ----------------57
2.7.1 磁路的基本概念 ----------------57
2.7.2 磁路欧姆定律 ----------------59
2.7.3 磁路中的基尔霍夫定律 ----------------59
2.7.4 永磁磁路的等效磁路图 ----------------60
2.8 磁路计算 ----------------62
2.8.1 简单的磁路计算 ----------------62
2.8.2 简单磁路工作点的求法 ----------------64
2.8.3 带导磁体的永磁磁路的计算法 ----------------66
2.8.4 气隙磁导 ----------------69
第3章 直流无刷电动机绕组的结构和连接 ----------------71
3.1 直流无刷电动机磁场的简化 ----------------72
3.1.1 直流无刷电动机的磁路 ----------------72
3.1.2 电动机磁路的铁心磁滞损耗和涡流损耗 ----------------72
3.1.3 直流无刷电动机磁场的简化 ----------------73
3.2 定子绕组的构成原则、分类和相关基本知识 ----------------75
3.3 单层绕组 ----------------76
3.3.1 单层集中绕组与分布绕组 ----------------77
3.3.2 单层绕组的连接方式 ----------------82
3.4 双层绕组 ----------------85
3.4.1 双层绕组的特点与节距的选择 ----------------85
3.4.2 双层绕组的连接 ----------------87
3.4.3 单双层绕组 ----------------90
3.5 分数槽绕组 ----------------91
第4章 直流无刷电动机本体的设计 ----------------96
4.1 概述 ----------------96
4.1.1 额定值 ----------------96
4.1.2 技术要求 ----------------97
4.2 设计步骤 ----------------99
4.2.1 单个电动机设计的基本步骤 ----------------99
4.2.2 系列产品的设计步骤 ----------------99
4.3 主要尺寸与电磁负荷的关系 ----------------100
4.3.1 电磁负荷 ----------------100
4.3.2 主要尺寸与电磁负荷的关系 ----------------101
4.4 主要尺寸的选择 ----------------103
4.4.1 定子铁心内径D_a的选择 ----------------103
4.4.2 电磁负荷的选择 ----------------104
4.4.3 转子磁铁计算长度L_a的确定 ----------------106
4.4.4 转子长度与直径的比值λ ----------------107
4.5 极数的选择 ----------------108
4.6 定子绕组导线截面的选择 ----------------109
第5章 PWM技术及电力半导体器件 ----------------112
5.1 脉冲宽度调制(PWM)技术 ----------------112
5.1.1 PWM技术原理 ----------------112
5.1.2 正弦波脉宽调制(SPWM) ----------------113
5.2 功率半导体器件 ----------------116
5.2.1 大功率晶体管 ----------------117
5.2.2 功率场效应晶体管 ----------------118
5.2.3 绝缘门极晶体管 ----------------120
5.2.4 GTR、P-MOSFET和IGBT的特性比较 ----------------125
5.2.5 智能功率模块 ----------------127
第6章 直流无刷电动机的电子换相器 ----------------129
6.1 三相绕组直流无刷电动机主回路的基本类型 ----------------129
6.1.1 何谓电子换相器 ----------------129
6.1.2 三相半控电路 ----------------130
6.1.3 三相Y联结全控电路 ----------------131
6.1.4 三相△联结全控电路 ----------------134
6.2 多相电动机换相举例 ----------------136
6.2.1 二三通电方式 ----------------137
6.2.2 五五通电方式 ----------------137
6.2.3 五四通电方式 ----------------138
第7章 直流无刷电动机的矢量控制与无传感器控制 ----------------141
7.1 方波电流驱动和正弦波电流驱动 ----------------141
7.2 正弦波电流驱动的三相永磁同步电动机数学模型 ----------------142
7.2.1 坐标变换或矢量变换 ----------------143
7.2.2 定子电压方程 ----------------144
7.2.3 转矩方程 ----------------145
7.2.4 运动方程 ----------------147
7.3 PMSM矢量变换控制 ----------------147
7.3.1 矢量控制原理 ----------------147
7.3.2 PMSM矢量控制的稳态分析 ----------------148
7.3.3 PMSM矢量控制的动态分析 ----------------150
7.4 方波电流驱动的直流无刷电动机数学模型及其矢量控制 ----------------152
7.4.1 定子电压方程 ----------------152
7.4.2 转矩方程 ----------------153
7.4.3 状态方程和等效电路 ----------------153
7.4.4 方波电流驱动的直流无刷电动机矢量控制 ----------------154
7.5 直流无刷电动机矢量控制系统简介 ----------------155
7.5.1 正弦电流型PMSM矢量控制系统 ----------------155
7.5.2 方波电流型直流无刷电动机矢量控制系统 ----------------156
7.6 直流无刷电动机的无位置传感器控制 ----------------157
7.6.1 反电动势的模拟测试法 ----------------158
7.6.2 反电动势的数字测试方法 ----------------161
第8章 直流无刷电动机的应用 ----------------165
8.1 引言 ----------------165
8.2 在肿瘤放射治疗中的应用 ----------------167
8.2.1 适形调强放射治疗 ----------------167
8.2.2 MLC(多叶电动光栅)动态调强叶片的运动模型 ----------------168
8.2.3 动态叶片调强的运动控制策略 ----------------170
8.2.4 MLC叶片的驱动技术 ----------------173
8.3 在数控机床上的应用 ----------------175
8.3.1 数控机床对伺服系统的要求 ----------------175
8.3.2 增量型光电编码器 ----------------177
8.3.3 直流无刷电动机磁极位置的检出 ----------------180
8.3.4 直流无刷电动机伺服系统工作原理 ----------------180
8.3.5 直流无刷电动机的矢量控制 ----------------182
8.3.6 关于直流无刷电动机的初始定向问题 ----------------184
8.4 在机器人驱动中的应用 ----------------185
8.4.1 非伺服机器人与伺服控制机器人 ----------------185
8.4.2 对机器人控制与驱动的基本要求 ----------------187
8.4.3 机器人驱动技术 ----------------188
8.5 在家用电器中的应用 ----------------193
8.5.1 直流无刷电动机在空调器中的应用 ----------------194
8.5.2 直流无刷电动机在电冰箱上的应用 ----------------195
8.5.3 直流无刷电动机在洗衣机中的应用 ----------------195
8.5.4 直流无刷电动机在吸尘器中的应用 ----------------197
8.5.5 直流无刷电动机在其他设备中的应用 ----------------197
附录 有关磁性材料磁特性表 ----------------198
参考文献 ----------------203