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淺談無(wú)刷電機(jī)構(gòu)成及工作原理

ss ? 作者:工程師譚軍 ? 2018-09-24 11:11 ? 次閱讀
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無(wú)刷電機(jī)

無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成,是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的,所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組,也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁體,現(xiàn)在多采用高磁能級(jí)的稀土釹鐵硼(Nd-Fe-B)材料。因此,稀土永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的體積比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號(hào)。

工作原理

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電子換向的,即用電子開(kāi)關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無(wú)換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動(dòng)化辦公設(shè)備中。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化,沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流(即檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的位置,并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào),經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開(kāi)關(guān)電路,按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開(kāi)關(guān)電路提供。 [2]

位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

采用磁敏式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)S?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路等)裝在定子組件上,用來(lái)檢測(cè)永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化。

采用光電式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉(zhuǎn)子上裝有遮光板,光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件將會(huì)按一定頻率間歇間生脈沖信號(hào)。

采用電磁式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開(kāi)關(guān)、LC諧振電路等),當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí),電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(hào)(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。

結(jié)構(gòu)解析

結(jié)構(gòu)上,無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)有相似之處,也有轉(zhuǎn)子和定子,只不過(guò)和有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)相反;有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是線圈繞組,和動(dòng)力輸出軸相連,定子是永磁磁鋼;無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼,連同外殼一起和輸出軸相連,定子是繞組線圈,去掉了有刷電機(jī)用來(lái)交替變換電磁場(chǎng)的換向電刷,故稱之為無(wú)刷電機(jī)(Brushless motor),那現(xiàn)在就有問(wèn)題了,沒(méi)有了電磁場(chǎng)的變換,如何讓無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)呢?

簡(jiǎn)單而言,依靠改變輸入到無(wú)刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形,在繞組線圈周圍形成一個(gè)繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)就轉(zhuǎn)起來(lái)了,電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān),更與無(wú)刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系,因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟姡娏餍枰娮诱{(diào)速器將其變成3相交流電,還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號(hào),控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足模型使用需要。 總的來(lái)說(shuō),無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)是比較簡(jiǎn)單的,真正決定其使用性能的還是無(wú)刷電子調(diào)速器,好的電子調(diào)速器需要有單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、復(fù)雜加工工藝等過(guò)程的總體控制,所以價(jià)格要比有刷電機(jī)高出很多。 [1]

相關(guān)對(duì)比

有刷電機(jī)缺點(diǎn)

(1)摩擦大,損耗大

老模友們?cè)谝郧巴嬗兴㈦姍C(jī)的時(shí)候都碰到這個(gè)問(wèn)題,那就是使用電機(jī)一段時(shí)間以后,需要打開(kāi)電機(jī)來(lái)清理電機(jī)的碳刷,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,維護(hù)強(qiáng)度不亞于來(lái)一次家庭大掃除。

(2)發(fā)熱大,壽命短

由于有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原因,電刷和換向器的接觸電阻很大,造成電機(jī)整體電阻較大,容易發(fā)熱,而永磁體是熱敏元件,如果溫度太高的話,磁鋼是會(huì)退磁的,使電機(jī)性能下降,影響有刷電機(jī)的壽命。

(3)效率低,輸出功率小

上面說(shuō)到的有刷電機(jī)發(fā)熱問(wèn)題,很大程度是因?yàn)殡娏髯龉υ陔姍C(jī)內(nèi)部電阻上了,所以電能有很大程度轉(zhuǎn)化為了熱能,所以有刷電機(jī)的輸出功率不大,效率也不高。

無(wú)刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

(1)無(wú)電刷、低干擾

無(wú)刷電機(jī)去除了電刷,最直接的變化就是沒(méi)有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花,這樣就極大減少了電火花對(duì)遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。

(2)噪音低,運(yùn)轉(zhuǎn)順暢

無(wú)刷電機(jī)沒(méi)有了電刷,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力大大減小,運(yùn)行順暢,噪音會(huì)低許多,這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的支持。

(3)壽命長(zhǎng),低維護(hù)成本

少了電刷,無(wú)刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了,從機(jī)械角度看,無(wú)刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了,必要的時(shí)候,只需做一些除塵維護(hù)即可。上下一比較,就知道無(wú)刷電機(jī)相對(duì)于有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在哪里了,但是萬(wàn)事都不是絕對(duì)的,有刷電機(jī)低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點(diǎn)是無(wú)刷電機(jī)不可替代的,不過(guò)就無(wú)刷電機(jī)的使用方便性來(lái)看,隨著無(wú)刷控制器的成本下降趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)外無(wú)刷技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),無(wú)刷動(dòng)力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段,這也極大促進(jìn)了模型運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

其他區(qū)別

(1)適用范圍:

無(wú)刷電機(jī):通常被使用在控制要求比較高,轉(zhuǎn)速比較高的設(shè)備上,如航模,精密儀器儀表等對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制嚴(yán)格,轉(zhuǎn)速達(dá)到很高的設(shè)備上。

碳刷電機(jī):通常動(dòng)力設(shè)備使用的都是有刷電機(jī),如吹風(fēng)機(jī)、工廠的電動(dòng)機(jī)、家用的抽油煙機(jī)等等,另外串激電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能達(dá)到很高,但是由于碳刷的磨損,使用壽命不如無(wú)刷電機(jī)。

(2)使用壽命:

無(wú)刷電機(jī):通常使用壽命在幾萬(wàn)小時(shí)這個(gè)數(shù)量級(jí),但是由于軸承的不同無(wú)刷電機(jī)使用壽命也有很大不同。

碳刷電機(jī):通常有刷電機(jī)的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個(gè)小時(shí),到達(dá)使用極限就需要更換碳刷,不然很容易造成軸承的磨損。

(3)使用效果:

無(wú)刷電機(jī):通常是數(shù)字變頻控制,可控性強(qiáng),從每分鐘幾轉(zhuǎn),到每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)都可以很容易實(shí)現(xiàn)。

碳刷電機(jī):舊碳刷電機(jī)一般啟動(dòng)以后工作轉(zhuǎn)速恒定,調(diào)速不是很容易,串激電機(jī)也能達(dá)到20000轉(zhuǎn)/分,但是使用壽命會(huì)比較短。

(4)節(jié)能方面:

相對(duì)而言,無(wú)刷電機(jī)采用變頻技術(shù)控制的會(huì)比串激電機(jī)節(jié)能很多,最典型的就是變頻空調(diào)和冰箱。

(5)日后維修方面:

碳刷電機(jī)需要更換碳刷,如果更換不及時(shí)會(huì)造成電機(jī)的損壞,而無(wú)刷電機(jī),使用壽命很長(zhǎng),通常是有刷電機(jī)的10倍以上,但是壞了就需要更換電機(jī),但日常維護(hù)基本不需要。

(6)噪音方面與是否是有刷電機(jī)無(wú)關(guān),主要是看軸承和電機(jī)內(nèi)部組件的配合情況。

(7)模型無(wú)刷電機(jī)的參數(shù)指標(biāo),除了外形尺寸(外徑、長(zhǎng)度、軸徑等)、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外,還少不了一個(gè)重要指標(biāo)KV值,這個(gè)數(shù)值是無(wú)刷電機(jī)獨(dú)有的一個(gè)性能參數(shù),是判斷無(wú)刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。

直流電機(jī)主要有直流有刷電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)兩種,特別是無(wú)刷直流電機(jī)以其出色的工作特性在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中應(yīng)用廣泛,本文對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)構(gòu)成及工作原理進(jìn)行介紹。

一無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介

無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)以電子換向器取代了機(jī)械換向器,所以無(wú)刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點(diǎn),又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1、無(wú)刷直流電機(jī)模型

無(wú)刷直流電機(jī)主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無(wú))組成??梢?jiàn),它和直流電機(jī)有著很多共同點(diǎn),定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多(原來(lái)的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ樱?,繞組的連線也基本相同。但是,結(jié)構(gòu)上它們有一個(gè)明顯的區(qū)別:無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有直流電機(jī)中的換向器和電刷,取而代之的是位置傳感器。這樣,電機(jī)結(jié)構(gòu)就相對(duì)簡(jiǎn)單,降低了電機(jī)的制造和維護(hù)成本,但無(wú)刷直流電機(jī)不能自動(dòng)換向(相),犧牲的代價(jià)是電機(jī)控制器成本的提高(如同樣是三相直流電機(jī),有刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋需要 4 只功率管,而無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋則需要 6 只功率管)。

圖1所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對(duì)極的無(wú)刷直流電機(jī),它的定子在內(nèi),轉(zhuǎn)子在外。另一種無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和這種剛剛相反,它的定子在外,轉(zhuǎn)子在內(nèi),即定子是線圈繞組組成的機(jī)座,而轉(zhuǎn)子用永磁材料制造。

無(wú)刷直流電機(jī)有以下的特點(diǎn):

● 無(wú)刷直流電機(jī)的外特性好,能夠在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩,使得它可以提供大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩;

● 無(wú)刷直流電機(jī)的速度范圍寬,任何速度下都可以全功率運(yùn)行;

● 無(wú)刷直流電機(jī)的效率高、過(guò)載能力強(qiáng),使得它在拖動(dòng)系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn);

● 無(wú)刷直流電機(jī)的再生制動(dòng)效果好,由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料,制動(dòng)時(shí)電機(jī)可以進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài);

● 無(wú)刷直流電機(jī)的體積小,功率密度高;

● 無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)機(jī)械換向器,采用全封閉式結(jié)構(gòu),可以防止塵土進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部,可靠性高;

● 無(wú)刷直流電機(jī)比異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單。

二無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)的定子是線圈繞組電樞,轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機(jī)通以固定的直流電流,則電機(jī)只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng),電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),只有實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置,再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的不同相通以對(duì)應(yīng)的電流,使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),電機(jī)才可以跟著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

如圖2所示為無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖,為了方便描述,電機(jī)定子的線圈中心抽頭接電機(jī)電源 POWER,各相的端點(diǎn)接功率管,位置傳感器導(dǎo)通時(shí)使功率管的 G極接 12V,功率管導(dǎo)通,對(duì)應(yīng)的相線圈被通電。由于三個(gè)位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),會(huì)依次導(dǎo)通,使得對(duì)應(yīng)的相線圈也依次通電,從而定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也不斷地變化,電機(jī)轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),這就是無(wú)刷直流電機(jī)的基本轉(zhuǎn)動(dòng)原理——檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置,依次給各相通電,使定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向連續(xù)均勻地變化。

圖2:無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖

三無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法

無(wú)刷直機(jī)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式按不同類別可分多種驅(qū)動(dòng)方式,它們各有特點(diǎn)。

按驅(qū)動(dòng)波形:

● 方波驅(qū)動(dòng),這種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)方便,易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)位置傳感器控制;

● 正弦驅(qū)動(dòng),這種驅(qū)動(dòng)方式可以改善電機(jī)運(yùn)行效果,使輸出力矩均勻,但實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。同時(shí),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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    從本文開(kāi)始,我們將介紹三相無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)、三相無(wú)刷電機(jī)工作原理及三相無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法等內(nèi)容。首先是三相無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)。
    的頭像 發(fā)表于 02-12 16:53 ?2.4w次閱讀

    直流無(wú)刷電機(jī)工作原理是什么

    直流無(wú)刷電機(jī)工作原理 一體化電機(jī)是一種特殊的電機(jī),由于其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn),在現(xiàn)代電子設(shè)備制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。其中,無(wú)刷直流電機(jī)
    發(fā)表于 05-08 14:36 ?2834次閱讀

    直流無(wú)刷電機(jī)工作原理及Matlab/Simulink仿真分析

    系列文章將更新直流無(wú)刷電機(jī)工作原理、仿真控制以及應(yīng)用STM32開(kāi)發(fā)板與驅(qū)動(dòng)板完成對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的實(shí)際控制。
    的頭像 發(fā)表于 05-24 11:14 ?9334次閱讀
    直流<b class='flag-5'>無(wú)刷電機(jī)</b>的<b class='flag-5'>工作原理</b>及Matlab/Simulink仿真分析

    無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 無(wú)刷電機(jī)工作原理

    無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)是目前最常見(jiàn)的兩種電動(dòng)機(jī)類型,它們?cè)诓煌膽?yīng)用場(chǎng)景中有著各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。下面將詳細(xì)介紹無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)以及無(wú)刷電機(jī)
    的頭像 發(fā)表于 01-31 11:05 ?8118次閱讀

    直流無(wú)刷電機(jī)工作原理 直流無(wú)刷電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

    直流無(wú)刷電機(jī)工作原理和基本結(jié)構(gòu)。 一、直流無(wú)刷電機(jī)工作原理 直流無(wú)刷電機(jī)工作原理與傳統(tǒng)的直
    的頭像 發(fā)表于 06-04 17:04 ?5539次閱讀

    什么是無(wú)刷電機(jī)?它的工作原理是什么??

    無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成,是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 無(wú)刷電機(jī)是指無(wú)電刷和換向器(或集電環(huán))的電機(jī),又稱無(wú)換向器電機(jī)。工業(yè)級(jí)直流無(wú)刷電
    的頭像 發(fā)表于 08-21 11:37 ?3795次閱讀
    什么是<b class='flag-5'>無(wú)刷電機(jī)</b>?它的<b class='flag-5'>工作原理</b>是什么??