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直流無刷電機和無刷直流電機信息智能網(wǎng)

淺談有刷電機與無刷電機的接線方法
2022-06-20

無刷電機 無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動機的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能級的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。 工作原理 無刷直流電動機是采用半導體開關(guān)器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(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、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點，廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。 無刷直流電動機由永磁體轉(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@組的電流進行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進行繞組電流切換）。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刷直流電動機，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眉呻娐返龋┭b在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。 采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，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，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。 采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件（例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等），當永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號（其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化）。 結(jié)構(gòu)解析 結(jié)構(gòu)上，無刷電機和有刷電機有相似之處，也有轉(zhuǎn)子和定子，只不過和有刷電機的結(jié)構(gòu)相反；有刷電機的轉(zhuǎn)子是線圈繞組，和動力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼；無刷電機的轉(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，去掉了有刷電機用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電機（Brushless motor），那現(xiàn)在就有問題了，沒有了電磁場的變換，如何讓無刷電機轉(zhuǎn)動呢？ 簡單而言，依靠改變輸入到無刷電機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繞電機幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動，電機就轉(zhuǎn)起來了，電機的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強度、電機輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無刷電機的控制性能有很大關(guān)系，因為輸入的是直流電，電流需要電子調(diào)速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機那里接收控制信號，控制電機的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。 總的來說，無刷電機的結(jié)構(gòu)是比較簡單的，真正決定其使用性能的還是無刷電子調(diào)速器，好的電子調(diào)速器需要有單片機控制程序設計、電路設計、復雜加工工藝等過程的總體控制，所以價格要比有刷電機高出很多。 ［1］ 相關(guān)對比 有刷電機缺點 （1）摩擦大，損耗大 老模友們在以前玩有刷電機的時候都碰到這個問題，那就是使用電機一段時間以后，需要打開電機來清理電機的碳刷，費時費力，維護強度不亞于來一次家庭大掃除。 （2）發(fā)熱大，壽命短 由于有刷電機的結(jié)構(gòu)原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機整體電阻較大，容易發(fā)熱，而永磁體是熱敏元件，如果溫度太高的話，磁鋼是會退磁的，使電機性能下降，影響有刷電機的壽命。 （3）效率低，輸出功率小 上面說到的有刷電機發(fā)熱問題，很大程度是因為電流做功在電機內(nèi)部電阻上了，所以電能有很大程度轉(zhuǎn)化為了熱能，所以有刷電機的輸出功率不大，效率也不高。 無刷電機優(yōu)點 （1）無電刷、低干擾 無刷電機去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設備的干擾。 （2）噪音低，運轉(zhuǎn)順暢 無刷電機沒有了電刷，運轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許多，這個優(yōu)點對于模型運行穩(wěn)定性是一個巨大的支持。 （3）壽命長，低維護成本 少了電刷，無刷電機的磨損主要是在軸承上了，從機械角度看，無刷電機幾乎是一種免維護的電動機了，必要的時候，只需做一些除塵維護即可。上下一比較，就知道無刷電機相對于有刷電機的優(yōu)勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，有刷電機低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點是無刷電機不可替代的，不過就無刷電機的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場競爭，無刷動力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進了模型運動的發(fā)展。 其他區(qū)別 （1）適用范圍： 無刷電機：通常被使用在控制要求比較高，轉(zhuǎn)速比較高的設備上，如航模，精密儀器儀表等對電機轉(zhuǎn)速控制嚴格，轉(zhuǎn)速達到很高的設備上。 碳刷電機：通常動力設備使用的都是有刷電機，如吹風機、工廠的電動機、家用的抽油煙機等等，另外串激電機的轉(zhuǎn)速也能達到很高，但是由于碳刷的磨損，使用壽命不如無刷電機。 （2）使用壽命： 無刷電機：通常使用壽命在幾萬小時這個數(shù)量級，但是由于軸承的不同無刷電機使用壽命也有很大不同。 碳刷電機：通常有刷電機的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個小時，到達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： 無刷電機：通常是數(shù)字變頻控制，可控性強，從每分鐘幾轉(zhuǎn)，到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實現(xiàn)。 碳刷電機：舊碳刷電機一般啟動以后工作轉(zhuǎn)速恒定，調(diào)速不是很容易，串激電機也能達到20000轉(zhuǎn)/分，但是使用壽命會比較短。 （4）節(jié)能方面： 相對而言，無刷電機采用變頻技術(shù)控制的會比串激電機節(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： 碳刷電機需要更換碳刷，如果更換不及時會造成電機的損壞，而無刷電機，使用壽命很長，通常是有刷電機的10倍以上，但是壞了就需要更換電機，但日常維護基本不需要。 （6）噪音方面與是否是有刷電機無關(guān)，主要是看軸承和電機內(nèi)部組件的配合情況。 （7）模型無刷電機的參數(shù)指標，除了外形尺寸（外徑、長度、軸徑等）、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外，還少不了一個重要指標KV值，這個數(shù)值是無刷電機獨有的一個性能參數(shù)，是判斷無刷電機性能特點的一個重要數(shù)據(jù)。 有刷電機與無刷電機的接線方法 由于換向方式不一樣，有刷電機與無刷電機不但內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣，而且在接線方式上的區(qū)別也非常大。1有刷電機的接線方法有刷電機一般有正負兩根引線。一般紅線是電機正極，黑線是電機負板。如果將正負極交換接線，只會使電機反轉(zhuǎn)，一般不會損壞電機。2無刷電機相角的判斷無刷電機的相角是無刷電機的相位代數(shù)角的簡稱，指無刷電機各線圈在一個通電周期里面線圈內(nèi)部電流方向改變的角度。電動車用無刷電機常見的相位代數(shù)角有120度與60度 由于換向方式不一樣，有刷電機與無刷電機不但內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣，而且在接線方式上的區(qū)別也非常大。 1 有刷電機的接線方法 有刷電機一般有正負兩根引線。一般紅線是電機正極，黑線是電機負板。如果將正負極交換接線，只會使電機反轉(zhuǎn)，一般不會損壞電機。 2 無刷電機相角的判斷 無刷電機的相角是無刷電機的相位代數(shù)角的簡稱，指無刷電機各線圈在一個通電周期里面線圈內(nèi)部電流方向改變的角度。電動車用無刷電機常見的相位代數(shù)角有120度與60度兩種。 觀察霍耳元件安裝空間位置判斷無刷電機的相角：120度和60度兩種相角的霍耳元件安裝空間位置不一樣。60度電機三個霍耳的排列都是一樣的，120度電機中間的那個霍耳要翻轉(zhuǎn)180度安裝。 無刷電機的霍耳元件有五根引線，分別是霍耳元件的公共電源正極、公共電源負極、A相霍耳輸出、B相霍耳輸出、C相霍耳輸出。我們可以利用無刷控制器（60度或120度）的五根霍耳引線，將無刷電機霍耳元件引線上的正負電源接好，將其余A 、B、C三個相位傳感器的引線，任意接在控制器霍耳信號引線的引線上。接通控制器電源，由控制器給霍耳元件供電，就可以檢測到無刷電機的相角了。 方法如下：用萬用表的+20V直流電壓檔，并將黑表筆接地線，紅表筆分別測量三個引線的電壓情況，記錄下三根引線的高低電壓。輕微轉(zhuǎn)動電機，讓電機轉(zhuǎn)過一個最小磁拉力角度，再次測量并記錄下三根引線的高低電壓，如此測量記錄6次。我們用1表示高電位，用0表示低電位，那么，如果是60度無刷電機，連續(xù)轉(zhuǎn)動6個最小磁接力角度，則測量出的霍耳真值信號應該是：100、110、111、011、001、000。調(diào)整三個霍耳元件引線的引腳順序變化，這樣對于60度無刷電機的A、B、C三個相位就判斷出來了。 如果是120度無刷電機，連續(xù)轉(zhuǎn)動6 個最小磁拉力角度，測量出的霍耳真值信號應該是按照100、110、010、001、101的規(guī)律變化，這樣霍耳元件引線的通電相序就判斷出來了。 3 無刷電機的接線方法 無刷電機的線圈引線有3 根，霍耳引線有5 根，這8 根線必須和控制器的相應引線一一對應，否則電機不能正常轉(zhuǎn)動。 一般來講，60度和120度相角的無刷電機，需要由與之相對應的60度和120度相角的無刷控制器來驅(qū)動，兩種相角的控制器不能直接互換。60度相角的無刷電機與60度相角的控制器相連的8根線的正確接線有兩種，一種正轉(zhuǎn)，一種反轉(zhuǎn)。 因為對于120度相角的無刷電機，通過調(diào)整線圈引線的相序和霍耳引線的相序，電機與控制器相連的8根線的正確接線可以有6 種，其中3種接法電機正轉(zhuǎn)，另外3種接法電機反轉(zhuǎn)。 如果無刷電機反轉(zhuǎn)，表明無刷控制器與無刷電機的相角是匹配的，我們可以這樣來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)向：將無刷電機與無刷控制器的霍耳引線的A、C交換接線；同時將無刷電機與無刷控制器的主相線A、B交換接線。 注：目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了智能無刷控制器，這種智能無刷控制器具有自動識別電機相角的功能，能同時實現(xiàn)60度與120度兩種相角的無刷電機的驅(qū)動。 ☆控制器的正確安裝 在安裝控制器的時候，一定要與控制器相連接的接插件垂直地面擺放，以防止接插件積水。將控制器的引線用尼龍扎帶固定在車體上，以防止引線與車體發(fā)生磨擦面損壞引線。盡量將控制器安裝位置抬高遠離地面，另外將控制器外殼的開口朝下，以防止控制器進水。 ☆無刷控制器的缺相 無刷控制器主相位缺相的檢測方法可以參照有刷控制器的飛車故障排除法，檢測MOS管是否擊穿，無刷控制器MOS管擊穿一般是某一個相位的上下兩個一對MOS管同時擊穿，更換時確保同時更換。 無刷控制器的霍耳缺相表現(xiàn)為控制器不能識別電機霍耳信號。檢測方法是：拔開控制器與無刷電機的霍耳引線，在控制器通電狀態(tài)下，用萬用表的直流電壓檔，并將黑表筆靠在控制器霍耳引線的黑線上，紅表筆測量控制器的其它霍耳引線。應該有+5V以上的電壓，否則說明控制器內(nèi)部霍耳輸出電路出現(xiàn)故障。通過測量霍耳引線的濾波電容和主控制芯片的相應引腳，進一步判斷故障位置。更換濾波電容或更換主控制芯片可以排除故障。 ☆無刷電機的缺相 無刷電機缺相一般是由于無刷電機的霍耳元件損壞引起的。我們可以通過測量霍耳元件輸出引線相對霍耳地線和相對霍耳電源引線的電阻，用比較法判斷是哪只霍耳元件出現(xiàn)故障。 為保證電機換相位置的精確，一般建議同時更換所有的三個霍耳元件。更換霍耳元件之前，必須弄清楚電機的相位代數(shù)角是120o還是60o，一般60o相角電機的三個霍耳元件的擺放位置是平行的。而120o相角電機，三個霍耳元件中間的一個霍耳元件是呈翻轉(zhuǎn)180o位置擺放的。

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