永磁无刷直流电机技术 第2版PDF电子书下载

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

1.3 21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 9

1.5 无刷直流电动机技术发展动向 10

1.6 小结 13

参考文献 13

第2章 方波驱动与正弦波驱动的原理和比较 15

2.1 无刷直流电动机（BLDC）与永磁同步电动机（PMSM） 15

2.2 方波驱动和正弦波驱动的转矩产生原理 15

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 17

2.4 小结 21

参考文献 22

第3章 无刷直流电动机的绕组连接与导通方式及其选择 23

3.1 常见绕组连接与导通方式 24

3.1.1 两相绕组电机连接与导通方式 24

3.1.2 四相绕组电机连接与导通方式 25

3.1.3 三相绕组电机连接与导通方式 27

3.1.4 五相星形绕组电机连接与导通方式 28

3.1.5 小结 30

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 30

3.3 绕组利用率和最佳导通角的分析 31

3.3.1 桥式电路封闭绕组与星形绕组 32

3.3.2 非桥式m相无刷直流电动机最佳导通角的分析 32

3.3.3 小结 35

3.4 桥式换相的三相绕组Δ接法和？接法的分析与选用 35

3.4.1 三相无刷直流电动机？和Δ两种绕组接法及其转换关系 36

3.4.2 同一台电机采用三角形与星形接法的比较 37

3.4.3 3次谐波环流和采用三角形接法条件 38

3.4.4 应用实例 39

3.4.5 小结 41

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 41

参考文献 42

第4章 无刷直流电动机数学模型、特性和参数 43

4.1 无刷直流电动机简化模型和基本特性 43

4.1.1 基本假设和简化模型基本等效电路 43

4.1.2 无刷直流电动机机械特性的统一表达式 44

4.1.3 理想空载点平均电流不等于零 46

4.1.4 无刷直流电机主要参数KE、KT、Req和D 48

4.1.5 重要参数——黏性阻尼系数D 48

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 50

4.1.7 一个三相无刷直流电动机特性和系数计算例子 53

4.2 绕组电感对无刷直流电动机特性的影响 55

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 55

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 58

4.4.1 换相过程分析和瞬态三相电流解析表达式 58

4.4.2 平均电流和平均电磁转矩表达式 62

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 64

4.4.4 近似计算公式 65

4.4.5 转矩系数K T与反电动势系数K E 66

4.4.6 计及绕组电感的无刷直流电动机机械特性 68

4.4.7 图解法计算电机特性和实例验证 68

4.4.8 绕组电阻和电感值变化对电机特性的影响 71

4.4.9 小结 72

4.5 无刷直流电动机单回路等效电路与视在电阻Rs 72

4.6 功率和效率、铜损耗和电流有效值计算 73

4.7 绕组电阻和电感的计算 75

4.7.1 电阻的计算 75

4.7.2 电感的计算 75

4.7.3 一个电感计算的例子 77

参考文献 78

第5章 无刷直流电动机分数槽绕组和多相绕组 79

5.1 无刷直流电动机定子与绕组结构 79

5.2 无刷直流电动机的分数槽绕组 80

5.2.1 分数槽绕组的优点 80

5.2.2 分数槽绕组槽极数Z0/p0组合约束条件 82

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 83

5.2.4 三相分数槽绕组的绕组系数计算 88

5.2.5 成对出现的槽极数组合 91

5.2.6 小结 93

5.3 分数槽集中绕组槽极数组合的选择与应用 94

5.3.1 单层绕组和双层绕组 95

5.3.2 定子磁动势谐波与转子涡流损耗 98

5.3.3 齿槽组合的LCM值与齿槽转矩的关系 99

5.3.4 Z为奇数的齿槽组合与UMP问题 102

5.3.5 负载下的纹波转矩 104

5.3.6 成对槽极数组合、槽极数比的选择 105

5.3.7 大小齿结构的集中绕组电机 107

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 110

5.4.1 相量图和绕组电动势相量星形图 110

5.4.2 分数槽集中绕组电动势相量星形图 111

5.4.3 三相分数槽集中绕组电机绕组展开图画法步骤 111

5.5 多相绕组 112

5.5.1 多相分数槽绕组的对称条件 113

5.5.2 五相分数槽集中绕组槽极数组合Z0/（2p0）的分析 114

5.5.3 Z为奇数的槽极数组合与UMP问题 117

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 122

5.6.3 两种绕组结构方案比较 123

5.7 多相绕组连接拓扑结构的探讨 123

5.7.1 多相绕组连接拓扑结构的分析 124

5.7.2 九相电机绕组不同接法的机械特性分析 128

5.7.3 多相无刷直流电机封闭形绕组无环流条件的分析 132

5.8 定子铁心制造方法 142

参考文献 143

第6章 磁路与反电动势 145

6.1 转子磁路结构 145

6.1.1 转子磁路基本结构形式 145

6.1.2 Halbach阵列结构 147

6.1.3 转子结构选择实例 149

6.2 常用永磁材料及其在永磁无刷直流电动机中的应用 150

6.2.1 常用永磁材料 150

6.2.2 注塑、黏结、烧结永磁材料和磁环多极充磁 153

6.3 气隙磁通密度的分析计算 153

6.3.1 永磁无刷直流电动机磁路模型和等效磁路 154

6.3.2 表贴式结构气隙磁通密度计算 155

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 157

6.3.4 埋入式结构气隙磁通密度计算 158

6.3.5 内置V形径向式气隙磁通密度计算 159

6.3.6 内置切向式气隙磁通密度计算 160

6.4 反电动势波形和反电动势计算 161

6.4.1 绕组形式对反电动势波形的影响 161

6.4.2 反电动势的计算 164

6.5 一个计算例子 165

参考文献 166

第7章 转子位置传感器及其位置的确定 167

7.1 转子位置传感器的分类和特点 167

7.2 霍尔集成电路的选择与使用注意事项 169

7.3 位置传感器最少个数 170

7.4 位置传感器的安装方式 170

7.5 无刷电机霍尔传感器位置确定的原理 171

7.5.1 锁存型霍尔集成电路输出特性与极性的约定 171

7.5.2 霍尔传感器位置与三相磁动势轴线对应关系 172

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 174

7.6.1 分数槽集中绕组单元电机槽数Z0为偶数的分析 174

7.6.2 分数槽集中绕组单元电机槽数Z0为奇数的分析 176

7.6.3 霍尔传感器安放在齿顶中央 177

7.6.4 一种电动自行车用51/23分数槽集中绕组的例子 179

7.6.5 小结 180

7.7 三相无刷直流电机分离型霍尔传感器位置的整定方法 180

7.7.1 多极电机霍尔传感器排列顺序 180

7.7.2 霍尔传感器位置整定的几种方法 182

7.8 适用于各类无刷直流电机确定霍尔传感器位置的通用方法 184

7.8.1 确定霍尔传感器安放位置的通用方法 184

7.8.2 单相无刷直流电机的例子 186

7.8.3 两相（四相）无刷直流电机绕组星形连接的例子 186

7.8.4 三相无刷直流电机绕组星形连接的几个例子 187

7.8.5 三相无刷直流电机绕组三角形连接的例子 190

7.8.6 五相无刷直流电机绕组星形连接的例子 192

7.8.7 九相无刷直流电机绕组封闭形连接的例子 192

7.8.8 11相无刷直流电机绕组封闭形连接的例子 192

7.8.9 小结 193

参考文献 193

第8章 永磁无刷直流电动机的电枢反应 194

8.1 电枢反应磁动势分解为直轴和交轴分量的分析方法 194

8.2 基于直轴和交轴分量分析的传统观点 195

8.3 内置式转子结构电枢反应磁动势的影响 196

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 196

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 198

8.6 电机设计时需考虑电枢反应的最大去磁作用 200

8.7 分数槽集中绕组电机的电枢反应 201

8.8 分数槽集中绕组电机转子永磁体内产生涡流损耗 202

8.9 小结 205

参考文献 205

第9章 无刷直流电动机的转矩波动 207

9.1 产生转矩波动的原因 207

9.2 换相转矩波动分析 211

9.2.1 只考虑电感、忽略绕组电阻的换相转矩波动分析 211

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 213

9.2.3 换相时间t1的计算与t1/T＝1条件的分析 215

9.2.4 一个电机的计算例子 216

9.2.5 小结 217

9.3 抑制换相转矩波动的控制方法 218

9.4 PWM控制方式对换相转矩波动的影响 219

参考文献 221

第10章 永磁无刷直流电动机的齿槽转矩及其削弱方法 223

10.1 永磁无刷直流电动机的齿槽转矩 223

10.2 齿槽转矩的解析表达式 224

10.3 采用分数槽绕组 226

10.4 转子磁极极弧系数的选择 230

10.5 不等厚永磁体和不均匀气隙方法 234

10.6 定子斜槽、转子斜极或转子磁极分段错位方法 234

10.7 磁极偏移方法 236

10.8 定子铁心齿冠开辅助凹槽方法 237

10.9 槽口宽度的优化 240

10.10 降低齿槽转矩实例 242

10.11 小结 243

参考文献 244

第11章 电机设计要素的选择与主要尺寸的确定 246

11.1 设计技术要求与典型设计过程 246

11.2 无刷电机CAD软件简介 247

11.3 若干设计要素的选择 248

11.4 定子裂比的选择 253

11.5 由电磁负荷确定电机主要尺寸的方法 255

11.5.1 电磁负荷与主要尺寸关系式、电机利用系数 255

11.5.2 定子绕组电流密度j与热负荷Aj 257

11.5.3 一些设计参考数据 258

11.5.4 单位转子体积转矩（TRV） 258

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 258

11.5.6 由电磁负荷确定电机主要尺寸方法的不确定性 260

11.6 由黏性阻尼系数D确定电机主要尺寸的方法 260

11.7 一个电机主要尺寸计算例子 261

11.8 一个无刷直流伺服电机电磁设计实例 264

11.9 一个基于Ansoft的无刷直流电机设计实例 272

参考文献 281

第12章 无刷直流电动机基本控制技术 282

12.1 无刷直流电动机控制概述 282

12.1.1 无刷直流电动机电子控制器基本组成 282

12.1.2 无刷直流电动机控制的发展 283

12.1.3 开环和闭环控制系统 284

12.2 起停控制和软起动 285

12.3 正反转方法和转向控制 286

12.4 制动控制 288

12.5 转速反馈信号的简易检出方法 290

12.6 无刷直流测速发电机 290

12.7 几种电压调节方法与PWM脉宽调制 292

12.8 保护电路和电流的采样 294

12.9 电流波形与提前关断技术 296

12.10 无刷直流电动机逆变器拓扑结构 297

12.11 六开关三相逆变器拓扑结构和栅极驱动 301

12.12 四开关三相逆变器的工作原理与控制 302

12.13 以绕组切换方式扩展转速范围 303

12.14 几种无刷直流电机实用控制电路例 307

12.14.1 基于UCC3626的速度控制电路 307

12.14.2 高压450V三相无刷直流电动机驱动电路 307

12.14.3 微控制器MCU与L6235组合的驱动控制电路 313

参考文献 314

第13章 无刷直流电动机无位置传感器控制 316

13.1 反电动势检测法 316

13.1.1 反电动势过零法 317

13.1.2 反电动势积分及参考电压比较法 319

13.1.3 反电动势积分及锁相环法 319

13.1.4 续流二极管法 320

13.2 3次谐波反电动势检测法 320

13.3 定子电感法 323

13.4 G（θ）函数法 323

13.5 扩展卡尔曼滤波法 324

13.6 状态观测器法 325

13.7 利用微控制器和数字信号处理器的无传感器控制 325

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 326

13.7.2 利用M C56F8013微控制器的反电动势过零法无传感器控制的例子 327

参考文献 328

第14章 无刷直流电动机低成本正弦波驱动控制 330

14.1 低成本正弦波驱动控制的需求 330

14.2 利用线性霍尔元件作转子位置传感器的正弦波驱动 331

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 331

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 331

14.3.2 Atme1公司的ATtiny261/461/861系列正弦波微控制器 333

14.3.3 东芝公司正弦波控制器和驱动器专用芯片 335

14.4 无传感器技术在正弦波驱动中的应用 338

参考文献 340

第15章 单相无刷直流电动机与控制 341

15.1 单相无刷直流电动机的工作原理与结构 341

15.2 四种不对称气隙结构的转矩分析比较 343

15.3 单相无刷直流电动机的超前换相与滞后换相分析 345

15.4 单相无刷直流风机特性和基本换相电路 346

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 349

15.6 用于光盘驱动器主轴中的单相无刷直流电动机 351

参考文献 353

附录 354

附录A 作者已发表的相关文献 354

附录B 几种霍尔集成电路数据表 357

附录C 分数槽集中绕组系数表 359

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 361

附录E GB/T21418—2008永磁无刷电动机系统通用技术条件 362