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技術(shù)分享

直流永磁無刷電動機的工作原理
2024-01-04

     直流無刷電機與一般直流電動機具有相同的工作原理和應用特性,而其組成是不一樣的。除了電機本身外,前者還多一個換向電路,電機本身和換向電路緊密結(jié)合在一起。許多小功率電動機的電機本身是與換向電路合成一體,從外觀上看直流無刷電動機與直流電動機完全一樣。
  直流無刷電機的電機本身是機電能量轉(zhuǎn)換部分,它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外,還帶有傳感器。電機本身是直流無刷電機的核心,它不僅關(guān)系到性能指標、噪聲振動、可靠性和使用壽命等,還涉及制造費用及產(chǎn)品成本。由于采用永磁磁場,使直流無刷電機擺脫一般直流電機的傳統(tǒng)設(shè)計和結(jié)構(gòu),滿足各種應用市場的要求,并向著省銅節(jié)材、制造簡便的方向發(fā)展。永磁磁場的發(fā)展與永磁材料的應用密切相關(guān),第三代永磁材料的應用,促使直流無刷電機向高效率、小型化、節(jié)能方向邁進。
  為了實現(xiàn)電子換向必須有位置信號來控制電路。早期用機電位置傳感器獲得位置信號,現(xiàn)已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號,最簡便的方法是利用電樞繞組的電勢信號作為位置信號。
  要實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制必須有速度信號。用獲得位置信號相近方法取得速度信號,最簡單的速度傳感器是測頻式測速發(fā)電機與電子線路相結(jié)合。
  直流無刷電機的換向電路由驅(qū)動及控制兩部分組成,這兩部分是不容易分開的,尤其小功率用電路往往將兩者集成化成為單一專用集成電路。
  在功率較大的電機中,驅(qū)動電路和控制電路可各自成為一體。驅(qū)動電路輸出電功率,驅(qū)動電動機的電樞繞組,并受控于控制電路。目前,驅(qū)動電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)成脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài),相應電路組成也從晶體管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路。模塊化集成電路有功率雙極晶體管、功率場效應管和隔離柵場效應雙極晶體管等組成形式。雖然,隔離柵場效應雙極晶體管價格較貴,但從可靠安全和性能角度看,選用它還是較合適的。
  控制電路用作控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、電流(或轉(zhuǎn)矩)以及保護電機的過流、過壓、過熱等。上述參數(shù)容易轉(zhuǎn)成模擬信號,用此來控制較簡單,但從發(fā)展來看,電機的參數(shù)應轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,通過數(shù)字式控制電路來控制電機。當前,控制電路有專用集成電路、微處理器和數(shù)字信號處理器等三種組成方式。在對電機控制要求不高的場合,專用集成電路組成控制電路是簡單實用的方式。采用數(shù)字信號處理器組成控制電路是今后發(fā)展方向,有關(guān)數(shù)字信號處理器將在下面交流同步伺服電動機中介紹。
  目前,在微小功率范疇直流無刷電動機是發(fā)展較快的新型電機。由于各個應用領(lǐng)域需要各自獨特的直流無刷電動機,所以直流無刷電動機的類型較多。大體上有計算機外存儲器以及VCD、DVD、CD主軸驅(qū)動用扁平式無鐵心電機結(jié)構(gòu),小型通風機用外轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu),家電用多極磁場結(jié)構(gòu)及內(nèi)裝式結(jié)構(gòu),電動自行車用多極、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等等。上述直流無刷電動機的電機本身和電路均成一體,使用十分方便,它的產(chǎn)量也非常大。為了滿足大批量、低成本的市場需要,直流無刷電動機的生產(chǎn)必須要形成規(guī)模經(jīng)濟。因此,直流無刷電動機是一種高投入、高產(chǎn)出的行業(yè)。同時,我們應該考慮到市場也在不斷地發(fā)展,如家用空調(diào)用電機正由3A轉(zhuǎn)向 3D,需要大量的中小功率的直流無刷直流電動機,研究和開發(fā)中小功率的直流無刷電動機也成當務之急。
  無刷直流電機(BLDCM)是在有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展來的,但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流;無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷力矩電機。一般地,無刷電機的驅(qū)動電流有兩種,一種是梯形波(一般是“方波”),另一種是正弦波。有時候把前一種叫直流無刷電機,后一種叫交流伺服電機,確切地講是交流伺服電動機的一種。
  無刷直流電機為了減少轉(zhuǎn)動慣量,通常采用“細長”的結(jié)構(gòu)。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多,相應的轉(zhuǎn)動慣量可以減少40%—50%左右。由于永磁材料的加工問題,致使無刷直流電機一般的容量都在100kW以下。
  這種電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好,調(diào)速范圍廣,壽命長,維護方便噪聲小,不存在因電刷而引起的一系列問題,所以這種電動機在控制系統(tǒng)中有很大的應用潛力。

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