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直流無刷電機的工作原理

作者:电子发烧友  来源:www.momboytubemovies.com  更新时间:2020-05-04 10:15:43  点击次数:

  直流無刷電機的工作原理

  一、無刷直流電機的工作原理

  1、無刷直流電機的特點

  直流電機主要有直流有刷電機和無刷直流電機兩種。

  (1)、有刷直流電機

  直流電機以良好的啓動性能、調速性能等優點著稱,其中屬于直流電機一類的有刷直流電機采用機械換向器,使得驅動方法簡單,其模型示意圖如圖1.2所示。

  電機主要由永磁材料制造的定子、繞有線圈繞組的轉子(電樞)、換向器和電刷等構成。只要在電刷的A和B兩端通入一定的直流電流,電機的換向器就會自動改變電機轉子的磁場方向,這樣,直流電機的轉子就會持續運轉下去。

  由些可見,換向器和電刷在直流電機中扮演著重要的角色,雖然它可以簡化電機控制器的結構,但是,它自身卻存在一定的缺點:

  a、結構相對複雜,增加了制造成本;

  b、容易被環境(如灰塵等)影響,降低了工作的可靠性;

  c、換向時會産生火花,限制了使用範圍;

  d、容易損壞,增加了維護成本等。

  (2)無刷直流電機

  無刷直流電機(BrushlessDirectCurrentMotor,BLDCM)的誕生,克服了有刷直流電機的先天性缺陷,以電子換向器取代了機械換向器,所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調速性能等特點,又具有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優點。

  圖1.3所示無刷直流電機模型,它是從圖1.2轉化過來的模型。它主要由用永磁材料制造的轉子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無)組成。可見,它和直流電機有著很多共同點,定子和轉子的結構差不多(原來的定子變爲轉子,轉子變爲定子),繞組的連線也基本相同。但是,結構上它們有一個明顯的區別:無刷直流電機沒有直流電機中的換向器和電刷,取而代之的是位置傳感器。這樣,電機結構就相對簡單,降低了電機的制造和維護成本,但無刷直流電機不能自動換向(相),犧牲的代價是電機控制器成本的提高(如同樣是,有刷直流電機的驅動橋需要4只功率管,而無刷直流電機的驅動橋則需要6只功率管)。

  圖1.3所示爲其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對極的無刷直流電機,它的定子在內,轉子在外,結構和圖1.2所示的直流電機很相似。另一種無刷直流電機的結構和這種剛剛相反,它的定子在外,轉子在內,即定子是線圈繞組組成的機座,而轉子用永磁材料制造。

  2、:

  (1)無刷直流電機的外特性好,能夠在低速下輸出大轉矩,使得它可以提供大的起動轉矩;

  (2)無刷直流電機的速度范围宽,任何速度下都可以全功率运行;

  (3)無刷直流電機的效率高、過載能力強,使得它在拖動系統中有出色的表現;

  (4)無刷直流電機的再生制動效果好,由于它的轉子是永磁材料,制動時電機可以進入發電機狀態;

  (5)無刷直流電機的體積小,功率密度高;

  (6)無刷直流電機無機械換向器,采用全封閉式結構,可以防止塵土進入電機內部,可靠性高;

  (7)無刷直流電機比異步電機的驅動控制簡單。

  3、無刷直流電機的工作原理

  無刷直流電機的定子是線圈繞組電樞,轉子是永磁體。如果只給電機通以固定的直流電流,則電機只能産生不變的磁場,電機不能轉動起來,只有實時檢測電機轉子的位置,再根據轉子的位置給電機的不同相通以對應的電流,使定子産生方向均勻變化的旋轉磁場,電機才可以跟著磁場轉動起來。

  如圖1.4所示爲無刷直流電機的轉動原理示意圖,爲了方便描述,電機定子的線圈中心抽頭接電機電源POWER,各相的端點接功率管,位置傳感器導通時使功率管的G極接12V,功率管導通,對應的相線圈被通電。由于三個位置傳感器隨著轉子的轉動,會依次導通,使得對應的相線圈也依次通電,從而定子産生的磁場方向也不斷地變化,電機轉子也跟著轉動起來,這就是無刷直流電機的基本轉動原理——檢測轉子的位置,依次給各相通電,使定子産生的磁場的方向連續均勻地變化。

  在下文介紹無刷直流電機的有位置傳感器驅動的一節,將會進一步介紹無刷直流電機的轉動原理。

  爲了方便理解,本文檔以下內容統一用如圖1.5所示的這兩種符號作爲模型簡介,圖A爲電機轉子和定子在同一圓心上,圖B爲不同一圓心上,是爲了方便說明電機內部磁場。詳細請看下文。

  4、無刷直流電機的驅動方法

  無刷直機電機的驅動方式按不同類別可分多種驅動方式,它們各有特點。

  按驅動波形:

  (1),這種驅動方式實現方便,易于實現電機無位置傳感器控制;

  (2),這種驅動方式可以改善電機運行效果,使輸出力矩均勻,但實現過程相對複雜。同時,這種方法又有SPWM和SVPWM(空間矢量PWM)兩種方式,SVPWM的效果好于SPWM。

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