稀土永磁无刷直流电机教材.docx

1、稀土永磁无刷直流电机教材稀土永磁无刷直流电机 调速电动机：调速电动机最常用的有交流变频电动机、磁阻电动机、有刷直流电动机和无刷直流电动机。 一、交流变频电动机交流电动机的转速与频率成正比见公式： n：转速；f：频率；2p：极对数从以上公式看，交流电动机的转速n只与频率成正比关系。90年代前，发电厂的频率(工频50HZ)无法改变，交流电动机的转速也不能改变，交流电动机如需调速，只能用以下性能很差的调速方式，如“滑差调速”、“液力耦合调速”和“机械齿轮调速”等方式，这几种调速方式效率低、特性软、刚性低、调速范围小。由公式1可以看出：只要频率f改变，电机速度n就可以改变。90年代，由于计算机技术的成

2、熟，大功率半导体开关器件的出现，电厂发出的50HZ工频，可以由0400HZ无极变化，这种装置称“变频调速器”，从而交流电动机的转速可以通过变频调速器进行无极调速。注：4极交流变频电动机转速是与频率的同步转速n= 转速n是交流同步电动机每分钟转速，通过改变频率来达到改变交流电机转速的目的，称为“变频调速电动机”。1. 变频电动机的特性曲线见图：Pn：功率 Tm：转矩Pn的单位：W、KWTm的单位：Nm恒转矩：U/F=定值，保持电机内部磁通恒定。恒磁通就是恒转矩，电机磁通就是转矩。2. 变频调速电机的控制方式2.1 V/F控制（压频比VVVF）2.2 电压矢量控制（空间矢量控制）2.3 磁通矢量控

3、制 理论是想通过计算机软件把强耦合的交流电机解耦结成把q轴与Y轴两个磁场分开，然后再像直流电机一样控制一个磁场，软件设置是预先把转子的电感、电阻、惯量、质量输到高速32位CPU中去，然后通过测得三相电压和电流，进行高速计算，转出一个最佳的转矩，形成一个直接转矩控制方式，但是由于电机运行中转子发热后，预先输进去的参数都变了，所以结果总是不理想。3变频交流电动机的优缺点：3.1优点：变频电机在风机、水泵、空压机等流体负载上面应用，节能效果最为显著。例：水泥窑的风机节电：流体负载电机转速与电机轴功率的关系:a) 转速与流量成1次方关系b) 转速与压力成2次方关系c) 转速与电机的电功率成3次方关系根

4、据以上关系式可以看出，调整风机的转速，可以使电机轴功率成3次方关系变化，从而达到节能目的。 比如：水泥厂立窑风机为控制燃烧带的平衡所需要的风压的大小问题。因过去用的萝茨风机不能用闸门控制，需要小风量时只能把风放掉，但是放出去的是能量，并伴随噪声和粉尘，所以会受到环保局罚款。而改用变频器来调速电机的转速，不但保证了工艺要求而且节能。如50HZ运行降到5HZ45HZ运行，则风机节电下降了10%，节电27%左右，有时20 HZ左右运行，平均每年节电22万元。3.2缺点 启动转矩小从曲线上看，电机启动时，电压和频率都很低，这时转矩很小，为了加大启动转矩，启动时有意把电压调高（补偿曲线），这时电机内部的

5、磁通不平衡，温度上升，电机启动完成后，又并到恒转矩的曲线上来，交流异步电机启动电流是额定电流的57倍。 低速性能差由电动机电磁设计原理分析：电动机电磁平衡式：从公式上看，如果电机为较低速运转，按变频调速的理论，只有改变频率f，电机转速才能下降，如：原50HZ降到25HZ运行时，由于式中f的改变使电动机里的磁通不平衡，4.44常数、体积、系数都不能变，只有磁密变化，（=高斯/平方厘米）如原设计等于每平方厘米通过8000高斯磁力线（根据硅钢片材质定），由于频率下降1倍，增为16000高斯，磁通密度大了一倍，造成磁饱和，牺牲的是转矩，而且带来的磁饱和使铁芯发热，由此证明变频电机低速性能差。 体积大，

6、效率低为了适应变频电机低速运行，设计时就把电机体积加大了一个机座号，由于体积加大了，增加了铁耗和铜耗，从而降低了效率。另外，变频电机的效率是随负载降低而降低的，见效率-负载曲线： 噪声大因为变频输出电机波形不是纯正的正弦波，是等效正弦波-等副不等宽的开关波形（如图3所示），谐波成分很多，加大了谐波损耗，所以增大了谐波的噪声。为了减小噪声加大了电机的气隙，因气隙大能吸收谐波，但是也加大了漏磁损耗，降低了电动机的效率。二 有刷串励直流电动机直流电机的转速与电压成正比见： n= VK V:电压； K:控制电压系数1有刷直流串励电动机的优点：调速性能好、转矩大，适合低速大转矩负载。2有刷直流串励电动机

7、的缺点：2.1效率低有刷直流电机结构如下图：直流电机由磁场、电枢、换向器、电刷组成。换向器展开见下图： 为了使电机旋转时不断电，电刷必须短接两个换向片，造成匝间短路，为了减小短路电流，只能把电刷的电阻做大。由于电刷的电阻加大带来的是短路损耗I2R=Ps ，而且电机的电流都是通过电刷传到电枢上的，根据功率计算公式Ps=I2R可以看出电刷损耗也很大。由于有刷直流电机的机械换相结构和电刷，使直流电机的效率一般不超过65%。2.2维行量大，适应环境差由于直流电机换向器和电刷大部分都设计为开放式结构，而换向器由裸铜制成，裸露在空气中，空气潮湿对电机的换向器造成侵害，使电刷和换向器产生火花，这种恶性循环致

8、使电刷换向器很快损坏、腐蚀，如不经常维修，可能会使电机报废。三稀土永磁无刷直流电机由于稀土钕铁硼的发明，计算机技术的成熟和大功率半导体开关器件的出现，可以把机械换向转换为电子换相，电子换相的损耗很小，只是开关管的管压降，效率一般能达到94-97.% ,因此，高效、大转矩的无刷直流电机诞生了。其特点如下：1. 效率高1.1无刷直流电机的优化设计：无刷直流电机主要有两大损耗：铜耗和铁耗。根据效率计算公式可知，若要高效率，必须减小铜耗和铁耗两大损耗。铜耗-有功损耗 Ps=I2R以120KW电机为例，经过优化设计为一匝(其它电机很难设计为1匝)1.384并饶,112平方，铜阻与导线长度成正比，与导线截

9、面积成反比。线圈相电阻为1.4m，61421.4m=3769960.0014=527.8w。铁耗-无功损耗: 铁耗是按铁心重量和材质来决定的，交流变频电机用的硅钢片DW-470-0.5,代表每公斤损耗47W，永磁无刷直流电机用的是DW-250-0.35硅钢片，每公斤损耗25W，硅钢片的厚度0.35mm，硅钢片越薄涡流损耗越小，比变频电机损耗小了4倍多。 两大损耗的降低决定了无刷直流电机的效率达到59-97%1.2电子换向：由于机械换向存在着损耗大、维修量大、适应环境差的缺陷，阻碍了有刷直流电机的发展。近年来由于计算机技术的成熟、大功率半导体开关器件的出现使电子换向技术能代替机械换向，从而弥补了

10、直流电机以上的缺陷，同时利用了80年代出现的钕铁硼磁钢，形成了我公司现在的“稀土永磁无刷直流电动机”。电子换向原理详见下图:上图380VAC（或220VAC）交流电源经三相整流（或电池），通过限流电阻R向电容C充电，待1-2秒用接触器J短接限流电阻R，与电机同轴的霍尔传感器（锁存型霍尔），U、V、W进行编码，编码000和111不用，只用001其他6个状态，换向过程为当霍尔传感器编码出现第一状态001时，CPU程序指令叫T1-T5打开，此时电流由电容C+通过T1电机线圈aY0点bT5C-回到电容C完成一个换向周期，此时因电机线圈A和B有电流流过，使电机转子转了60电角度，当第二个状态010出现时

11、，电流由CT1T6aYc回到电容，又完成了换向的第二个周期，使转子又转了60，以此类推，6个换向周期每个换向周期都使电机转子转60，606=360,电机完成了6个换向周期，电机转了一圈，完成了无刷直流电机的换向过程。由于永磁无刷直流电机电子换相、特殊的结构和优化设计,使无功和有功损耗都很小,使此种电机在全调速范围内都属于同步转速,当电机达到同步时,转子既无铜耗又无铁耗，因此无刷直流电机的效率一般都能做到95%97%。1.3永磁无刷直流电动机的外特性见曲线图9:转矩转速曲线图从以上转矩-转速曲线上可以看出：0nN为恒转矩区，nNnmax为恒功率区，nN为电动车的经济时速，在nN时，铜耗与铁耗相等

12、，此时效率最高，损耗最小。0nN区能提供4倍的额定转矩。转矩过载4倍/1分钟；3倍/2两分钟；2倍/3分钟。恒功率公式：PN=TMn转矩TM单位：N.m转速n单位：r/min或rpm2. 功率因数(COS)高 因该电机无功率和有功率损耗很小，负载轻载时，电机设计呈容性状态，负载时电机呈感性状态，由于电机在容性和感性之间变化，功率因数基本接近1。3. 启动转距大在零转速(堵转)情况下，能达到4倍过载转距，而控制器的输入电流只有额定电流的1/20，变频电机和永磁同步电机一般都得超过额定电流。4. 系统高效率区宽 永磁同步和变频电机系统在80%的高效率区只占了60%;而永磁无刷直流电机系统效率在90

13、%时的高效率区占了74%(变频电机的效率是指在额定负载、额定转速下的效率，它的效率是随着负载的效率下降而下降，当负载50%时，效率只有48%)，永磁无刷直流电机在负载50%时，效率仍在90%以上。5. 低压性能好当电源电压下降25%时，其外特性仍与额定电压下一样。永磁无刷直流电机能做到低速时可以达到4倍的额定转距。6. 低速性能好永磁无刷直流电机运转在零到额定转速之间都可以达到恒转距和4倍的瞬时过载转距(变频电机低速性能最差最多过载1.5倍) 。7. 调速范围宽永磁无刷直流电机特有的宽调速性能，调速比可以达到0-100，使得恒转距区范围很宽，全范围速度都与频率同步，能实现低转速大转距特性功能。

14、8. 转速精度高该电机的转速精度能达到1/6000转，而该电机的转速与电源电压和负载的变化无关，也就是说，电源电压和负载的变化不影响电机的转速精度。9. 该电机体积小,重量轻120KW永磁无刷直流电机只有230kg，而变频电机最少也得560kg以上永磁无刷直流电机与交流变频电机比较：体积和重量小一倍，转矩大一倍，价格将近低一倍，效率平均高一倍10. 噪声低，抗干扰强，电磁兼容性好。11. 刹车、减速、遛撤时有能量回馈、能耗制动功能。四、BS-3型永磁无刷直流电机简介我公司于1994年成立，主要研制开发大功率永磁无刷直流电机，获得了14项专利，于1998年通过了省级鉴定，2004年通过了国际IS

15、O9000认证，2005年国家标准局批准了“永磁无刷直流电机企业标准”（国家现在还没有标准）。十几年来我公司的BS系列永磁无刷直流电机，为中国一汽，东风二汽，深圳雷天、金龙，沈阳沈飞、大奇，北京蓝天，大连恒田，台湾宝捷，扬州亚星等汽车制造厂配套了电动汽车专用永磁无刷直流电机，为航天部、航空部和铁道部研发并生产了几百台高精尖的永磁无刷直流电机。今年国家为了拉动内需，鼓励研发新能源电动汽车，出台了补助政策，从而极大促进了电动汽车的发展，各大汽车制造商都积极推出了各种电动车型，为了配合各大汽车制造商普及新能源电动汽车，我公司投入了大量的资金和设备，具备了1万套大功率电动汽车专用永磁无刷直流电机的生产

16、能力，今年4月份将推出BS-3型全系列高性能电动汽车专用的永磁无刷直流电机，6月份推出BS-4型带车载充电功能的革命型的电机，今年年底将推出大功率轮毂电机。(一)、BS-3型电动汽车专用大功率永磁无刷直流电机的特点 功率大：永磁无刷直流电机扩大了应用范围，由原来BS-2型最大120KW，只能和10-12米时速80Km公交车相配套，到BS-3型永磁无刷直流电机最大功率270KW，可以和时速120公里豪华大巴纯电动汽车相配套。 效率高：120KW和240KW效率分别达到97.2%和98.2%，永磁无刷直流电机的效率曲线随着负载和电压的下降基本是平直，略有下降，而交流变频电机负载在50%时，效率只有

17、49%。 噪声低：在设计和制造工艺上，采取了低噪声的设计和特殊工艺手段，避免了谐波噪声，另外调制频率设计在15K，基本接近超音频，120KW永磁无刷直流电机噪声控制在小于60db。 体积小、重量轻：永磁无刷直流电机采用了水冷系统冷却方式和ZW-250高硅硅钢片，通过优化设计电机的功率、转矩和磁通密度很高，所以电机的体积小、重量轻，120KW永磁无刷直流电机只有210公斤。 输出转矩大：该电机启动和过载转矩在1/2额定转速下能达到额定转矩的4倍，通过电机本身减速装置电机轴转矩可以达到6-7倍。（详见转速转矩曲线） 低压特性好：纯电动汽车是由电池供电的，电池的电压越用越低，额定电压320VDC，永

18、磁无刷直流电机能在240VDC电压下照常工作，其与电机在320VDC额定电压的外特性相同，因而提高了电池利用率，延长了电动汽车的续航里程。 电机高效率区宽：一般交流变频电机系统效率在80%左右，高效率区60-64%;而永磁无刷直流电机系统效率在90%时高效率区在74%（详见国家电动车检测中心检测报告），从而电动汽车绝大部分都工作在高效率区，达到了节电的目的。 电机堵转特性：本电机在堵转的状态下（零转速），电机仍能输出4倍的额定转矩，在2倍的转矩下堵转一分钟，电机线圈温升不会超过80度，母线电流只有额定电流的1/20。 不退磁：我公司的专利技术，在正常条件的磁使用下，保证十年不退磁。 低速大转矩

19、，免去变速箱，安装方便，降低成本：在电机的前端设计了一个低噪声减速箱，可根据用户后桥的速比匹配合理的减速比，电机的出轴可以直接与传动轴连接，避免了转接的麻烦。(二)、BS-3型电动汽车专用永磁无刷直流电机的基本功能1. 基本控制功能 采用了DSP永磁无刷直流电机专用芯片，利用模糊控制理论对电机进行直接转矩控制；电流-速度双闭环控制；电子差速控制和电流或速度的单闭环控制。 管理功能：电机的速度；线圈温升；过流；过压；欠压；控制器的温升；电流；过压；欠压和电池的电流；温度；过压；欠压进行管理，超过设计值先报警，延迟几十秒后停车。 保护功能：a.电机和控制器有限流、过流、短路保护功能，当电机和控制器

20、达到限流值时，电机限速运行，加速踏板即使踏到底电机（电动汽车）仍在限定速度下运行。当电机达到过流点时控制器进行反时限控制，即过流值越高保护时间越短；过流值越小保护时间越长，当电机和控制器发现短路时5微妙内立即保护。b.限速保护：当车速超过规定值，加速踏板踏到底电动汽车仍保持规定的速度行使。2. 显示功能：采用12寸真彩液晶显示器作为显示器 模拟传统指针仪表显示电动汽车的时速、电机转速，累计行使里程和计量里程。 显著的界面显示电机、控制器和电池的温度，故障声光报警。 显示电机的运行电流，电池的母线电流，电池的电压和剩余的电量。3. 通讯功能：BS-3型永磁无刷直流电机设有485和CAN总线通讯接

21、口，可根据用户的约定进行国际汽车控制器专用的CAN总线进行可靠的通讯。4. 电子差速功能：采用模糊控制理论对2个或4个电机进行自适应定转矩控制，使得电动汽车行驶在复杂路面或转向时通过自适应定转矩控制实现差速功能。为了进一步完善电动汽车动力总成，我公司还开发出以下配套产品： 无刷直流电机驱动涡旋式8KW直流变频空调总成，大巴和公交车用两台；中巴车用一台。 无刷直流电机驱动单螺杆气泵总成，噪声小，产汽量大。 无刷直流电机驱动助力转向液压泵总成，体积小，噪声低，压力可以调整。 24VDC低压循环水泵系统，适合电动汽车水冷系统。选用我公司BS=3型永磁无刷直流电机驱动系统和配套的辅助设备，可以完全形成

22、环保、节能、高效率、高性能的纯电动汽车。五、BS-4永磁无刷直流电电机简介：1.BS-4永磁无刷直流电电机结构此特殊结构电机是两个电机合成一个电机，即两组线圈共用一个定子和转子，构成一个双Y-Y电机，这种电机驱动电动汽车具有高效、大转矩、平稳、低噪声、温升低、节能理想绿色电动汽车的心脏。此电机巧妙地将两个电机设计为共用一个转子和定子的特殊结构，常规单绕组永磁无刷直流电机反电势为梯形波60一换向，梯形波的平顶宽度理论值为120，在制造过程有于工艺的问题，最宽只能达到108 ，双绕组电机是在60换向之间又插了一个60换向的绕组，两组绕组相互对称，此时反电势构成了30一换向的绕组，平顶宽度变成了13

23、8，增加了了27.8%，也就是说在电流相等时转矩增加了20%，此双三相双绕组永磁无刷直流电机实现了宽范围调速性能，由于在原60换向之间又插入了一个60换向的绕组，从而构成了电角度为30换向绕组，弥补了原60换向电流波形30处换向处的缺口，改善了电流波形，使电机运行平稳，减小了换向噪声，简化了绕线制造工艺，增大了转矩，减小了损耗，降低了电机绕组和引线的温升，保障了产品质量，延长的使用寿命。2. BS-4永磁无刷直流电机（专利产品）的特殊功能2.1自充电功能当电动汽车驻车时，电机停止旋转，减速箱处在空挡位置，利用其中一个“电机”绕组，通过220VAC市电向其中一个控制器供电，（本控制器带整流桥），

24、使电机旋转，其另一个“电机”线圈被动旋转即成为发电机，利用电机的转速可以调电压，利用发电机的控制器调整六个续流二极管三相整流经电容滤波通过调制IGBT的占空比来调整电流，从而构成一个输出电压、电流可调理想波形的充电机（车载充电机），可以直接给电池充电，充电过程用控制器内预先编好的充电程序按照电池的充电曲线，配合电池管理系统给电池充电，当电池动停机。充满后自2.2节能运行电动汽车在行驶过程中，如果是平道轻载，可以轻松地转换为一个电机运行，如10.5米公交车在平道半载时，经过计算和实测（牵引功率只有45KW）,此时可以一个电机运转，避免了大马拉小车的现象，当上坡、加速、或超车时，又可以转换为两个电

25、机驱动，有效地节约了能源。2.3延长了汽车的续航里程两个电机相位，互差30，例如公交车总的额定功率120KW两个电机合成其中一个电机功率60KW，其峰值电流幅度是额定电流的1/2，电池的输出电流峰值只是原额定电机的1/2；而频率却增加了一倍，功率还为原来的额定功率，因此电池的放电峰值电流只有额定电流峰值的1/2, 避免了电池的大电流放电，提高了电池的利用率，延长了电池的使用寿命，经实测，使续航里程增加了30-35%左右。3.4降低了电动汽车的制造成本还以10.5米公交车为例，1套120KW永磁无刷直流电机，如果用两个60KW电机驱动需要12万元，两个电机合成一个双绕组电机只需要9.8万元，节约

26、了2.2万元（省了18.3%），由于此电机的特点可以延长续行里程30-35%，因此在同样续行里程下，电池可以少装1/3，从而可以节约成本15-20万元。如果采用我公司BS-4专利产品，可以节约成本22万元。五BS-4型永磁无刷直流电动机社会效益1. 综述：当前国家为了节能减排推广低碳产品，对电动汽车的推广和应用，连续下达了诸多的鼓励政策。推出了“十城千辆”、“电动汽车的示范城市”，今年又扩大到20个城市，全国各大汽车集团都积极的投入了大量的资金用于研发电动汽车，零排放零污染的纯电动汽车更受青睐，如一汽、二汽、安凯、比亚迪、广通等企业都已批量生产，北京、上海、武汉、深圳、长春等城市都已在运营，但

27、阻碍电动汽车普及的瓶颈仍然是电池，当前磷酸铁锂电池功率密度和能量密度较小，充一次电还不能满足公交车和出租车的续行里程，充放电次数只有1500次，一次性投资较大，专家提出了通过换电池和加大充电站的密度来弥补电池能量不足的缺陷，国家电网今年投资几十个亿甚至几百亿元在重点城市筹建充电站，另外还通过建电池站来解决电动汽车运营的问题，即使国家投入大量资金建设充电站，也不可能像加油站那么普及。我公司为了解决充电的瓶颈，2010年我们推出了BS-4型自带充电的电动汽车驱动电机，当电动汽车驻车时，此电机具有车载充电功能，如果电动汽车都采用了BS-4型电机，国家将不用出巨资再建充电站，只要有220V或380V电

28、源就可以了。以下介绍BS-4型电机的特殊功能。六、永磁无刷直流电机的应用例：高楼恒压供水：现代城市的楼房越盖越高,高楼供水的问题越感突出重要，如果应用永磁无刷直流电机拖动水泵系统进行高楼恒压供水，此时可以维持管道内的水压始终保持恒定的压力。用水高峰自动控制水泵快转，白天上班为用水低谷时期，水泵可以根据用水量大小自动控制转速，维持管道内恒定压力，根据北京、上海、广州等大城市的经验，一般可以节电40-60%。如上所述，风机水泵根据需要调整速度，节能将有很大的潜力。在无刷直流电机没有研制成功之前，大都用变频电机进行调速达到节能目的，但是变频电机也存在很多的问题，如它不能超低速运转，电机本身效率低，损

29、耗大等缺点，已不适应当前高节能的需求，而永磁无刷直流电机除了能达到恒压的目的，还弥补了变频电机的缺点，应用永磁无刷直流电机应是当前最佳的选择。1. 稀土永磁无刷直流电机在数控机床主轴上的应用我国及世界各国数控机床主轴电机普遍都在用变频电机，个别的应用磁阻电机和有刷直流电机，永磁无刷直流电机在数控机床上的应用不多，因永磁无刷电机的设计和工艺都很复杂，功率越大，难度越大，磁钢退磁和转子发热问题是关键技术瓶颈，很难解决，而我公司与”唐山永磁电机研究所”历经13年的研发，投入了大量的人力和物力，终于攻克了这项技术难关，到2006年最大功率已做到了120KW，并在电动公交车上面运行了一年多时间，于200

30、7年7月通过了国家检测中心的检测合格，其性能超过了各种电机，到现在为止在我国还没有第二家研制成120KW大功率永磁无刷直流电机，这说明我公司的设计理论已相当成熟，工艺技术已达到十分可靠的水平，由于该电机性能优越，在交通运输、旅游、油田、化工、军工、机悈、印刷、造纸、陶瓷、轻工等方面都得到了广泛的应用。2. BS永磁无刷直流电机在油田抽油机上的应用2.1我国及世界各国采油设备，应用的都是往复式抽油机，其中大部分都是恒速运行。根据油井不同的井况、井龄和地质条件的变化，抽油机应实时调整速度，即往复时间，使每次抽油量都达到满载。采用此种方式可以提高采油效率、节约能源、降低采油成本。国内各油田十几年来曾

31、采用变频器想达到以上控制方式，但是变频器驱动交流电机，因负载率低，交流电机效率也随之降低，节约能源不太显著；又因井况变化频繁超载，变频器停机故障率太多，因此变频器在油田上的应用不太成功。而BS永磁无刷电机弥补了变频电机的缺陷，最适合在这里应用。其分析如下表： 从效率上分析：从曲线图可以明显看出，下往空载上行满载，抽油机平均率只有48%。当效率为48%交流电机效率只有50%，而BS永磁无刷电机效率还在90%以上，从效率上看BS永磁无刷直流电机比交流电机高40%，功率因数COS在0.9以上。由此得出BS永磁无刷直流电机比交流电机节电2530，提高出油率1015。 适应性: BS永磁无刷直流电机调速范围宽，起动转矩大，过载能力强，最能适应油井的变化。它能自动识别油井出油量的大小，根据油井的变化，实时的进行调节速度，使每次抽油的效率都达到80%以上。在采油过程中，频繁过载、过压，欠压，本电机都能有效地防止频繁停机。当有瞬时过载、过压，欠压，本系统在上述工况下安全运行并可以通过控制限流、限速的方式处理瞬时故障，使之安全运行不停机，达到无人监守，自动智能控制。2.2 油田抽油机各种电机性能比较（永磁无刷直流电机、变频电机与永磁同步电机）抽油机平均负载一般在50左右。电机形式 功率 电压 效率