外轉(zhuǎn)子無刷直流電機的運行原理

1、外轉(zhuǎn)子無刷直流電機的運行原理1 無刷直流永磁電機的發(fā)展歷程交流同步電機具有良好的運行性能， 但是其啟動性能差； 交流感應(yīng)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、 運 行可靠的特點， 但是其調(diào)節(jié)性能差； 直流電機因其具有良好的調(diào)節(jié)性能和啟動性能而被業(yè)界 廣泛使用。 但是，對于有刷直流電機而言，由于存在電刷和換向器的機械接觸機構(gòu)，并產(chǎn)生 換向火花、電磁干擾、壽命短和可靠性等問題，從而限制了它的使用范圍。長期以來， 人們希望能夠在保持有刷直流電機的良好調(diào)節(jié)性能和啟動性能的前提下， 消除 其不足之處。隨著微電子器件和電力電子器件方面的進步為實現(xiàn)這種理想創(chuàng)作了必要條件。 經(jīng)過較長時間的摸索， 人們終于用電子換向代替機械換向；

2、 把原先處于電機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)電樞 變成處于外部的靜止電樞； 把原先處于電機外部的靜止磁場變成處于內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場， 從而 使有刷直流電機轉(zhuǎn)變成了無刷直流永磁電機（ BLDCM ）。2 無刷直流永磁電機的工作原理在無刷直流永磁電機中， 電樞繞組被設(shè)置在定子上， 永磁體磁極被設(shè)置在轉(zhuǎn)子上。 定子各 相電樞繞組相對于轉(zhuǎn)子永磁體磁場的位置， 由轉(zhuǎn)子上的位置傳感器通過電子方式或電磁方式 所感知； 并利用其輸出信號， 通過電子換向電路， 按照一定的邏輯程序去驅(qū)動與電樞繞相連 接的相應(yīng)的功率開關(guān)晶體管，控制電流開關(guān)或者換向到相應(yīng)的電樞繞組。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動， 轉(zhuǎn)子位置傳感器不斷發(fā)送出信號，致使電樞繞組不斷地的依次

3、通電，不斷地改變通電狀態(tài)， 從而使得在某一磁極下的線圈導體中流過的電流方向始終不變， 這就是無刷直流永磁電機的 無接觸電子換向的本質(zhì)。無刷直流永磁電機可以被制作成內(nèi)轉(zhuǎn)子式、 外轉(zhuǎn)子式和雙定轉(zhuǎn)子式等類型結(jié)構(gòu)， 分別作下 簡單介紹如下：內(nèi)轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu) 一般而言，電機的定子在外面，轉(zhuǎn)子在里面。在傳統(tǒng)的有刷直流永磁電機中，定子磁場在 外面， 轉(zhuǎn)子電樞在里面。 無刷直流永磁電機出現(xiàn)后，使電樞從里面走到外面，有轉(zhuǎn)子變成了 定子。這種結(jié)構(gòu)稱之為“內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)” ，如圖 1.1外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)在實際使用中， 有時為了滿足某些電機機械的特殊技術(shù)要求， 把無刷直流永磁電機的定子電樞做到里面， 而把帶有永磁體的轉(zhuǎn)子做在外面

4、， 這種結(jié)構(gòu)稱之為 “外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)” ，如圖 1.2雙定轉(zhuǎn)子式雙定轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)實際上是在內(nèi)部相互配套的兩臺電機， 它具有兩個轉(zhuǎn)子、 兩個定子和兩個 工作氣隙， 外面的一臺電機是外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)， 里面的一臺電機是內(nèi)轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)。 根據(jù)內(nèi)外轉(zhuǎn)子上永磁體的不同配置，又分為 N-N 型和 N-S 型，分別如圖 1.3 和圖 1.4此處P61.1.。此處P61.2.。此處P6圖1.3.。o oo ooo oo oo ooo oo ooo oo oo oo此處 P6 圖 1.4 。對于 N-N 型這種具有雙定轉(zhuǎn)子、 徑向磁通和環(huán)形電樞線圈結(jié)構(gòu)形式的無刷直流永磁電機， 能夠獲得較高的力矩密度和功率密度。對于 N-S

5、 型結(jié)構(gòu)中，不需要定子磁軛。有時采用非磁性支架，也僅是為了增加電樞的機 械強度。在 N-S 型結(jié)構(gòu)中，電樞繞組不能采用背對背繞制的環(huán)形線圈，而應(yīng)采用一套一般 形式的疊繞組或波繞組。3 外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)無刷直流永磁電機運行原理31 電樞繞組的連接方式電子換向電路一無刷直流永磁電機的電樞繞組基本上有星形連接繞組和封閉式連接繞組。般有橋式和非橋式兩類。 星形連接繞組星行連接繞組是把所有相得繞組線圈的首端或尾端連接在一起； 與之相配合的電子換向電 路可以是橋式線路， 也可以是非橋式線路。 圖 1.5 為三相星形繞組與橋式線路的組合， 圖 1.6 為三相星形繞組與非橋式線路的組合。ooooooooooooo

6、oooooooo此處 P7 圖 1.5 ( a)與圖 1.5(c) oooooooooooooooooooooooooooo(2) 封閉式連接繞組封閉式連接繞組是由各相繞組線圈組成的封閉的形式， 即把第一組繞相線圈的尾端與第二 組繞相線圈的首端相連接， 再把第二組繞相線圈的尾端與第三組繞相線圈的首端相連接， 依 次類推，直至最后一相繞組線圈的尾端又與第一組繞相線圈的首端相連接。圖1 .7為三相封閉式連接繞組與橋式線路的組合。oooooooooooooooooooooooo此處P8圖1.5 (e)此圖有錯.0000000000000000000000000000032 電子換向換向又可以稱之為“

7、換流” 。是利用電子電路來實現(xiàn)電樞繞組內(nèi)電流變化的物理過程成為 電子換向或“換流” 。沒“換流”一次，定子磁狀態(tài)就改變一次，連續(xù)不斷地“換流” ，就會 在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場。電子換向時無刷直流永磁電機的關(guān)鍵技術(shù)之一，只有正確地進行“換流”，才能夠保證電機的可靠運行。 下面以 “三相星形非橋式” 電樞繞組的電子換向過程為例來詳細分析外轉(zhuǎn)子 式無刷直流永磁電機的電子換向過程，其中位置傳感器用的是電磁式位置傳感器。1 “三相星形非橋式”連接的換向過程圖 1.8是“三相星形非橋式”電子換向電路原理圖。00000000000000000000000000000。此處 P9 圖 1.6(將

8、此圖轉(zhuǎn)子放在外面)圖中左邊是電磁式位置傳感器的示意圖， 它的固定部分由高頻鐵氧體磁芯和六個線圈所組 成。有三個線圈串聯(lián)作為原邊激磁線圈，另外三個線圈Xu 、Xv、Xw 作為副邊輸出線圈，分別與 U 相、 V 相和 W 相三個電樞繞組相對應(yīng)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的旋轉(zhuǎn)部分是由略大于120°電角的扇形高頻鐵氧體磁芯和非導磁體所組成的一個圓環(huán)，并與電機同軸安裝。當旋轉(zhuǎn)部分的高頻鐵氧體磁芯扇形片使副邊輸出線圈 Xu 與原邊激磁線圈耦合時， 副邊輸出線圈 Xu 就有輸出信號；而其他兩個副邊輸出線圈由于沒有與原邊激磁線圈相耦合，所以 沒有輸出信號。 這時， 利用副邊輸出線圈 Xu 的輸出信號經(jīng)整流處理后去觸發(fā)與 U 相電樞繞 組相連接的功率開關(guān)晶體管BG1 ,并使之導通，功率開關(guān)晶體管 BG2和BG3因沒有觸發(fā)信號而保持截止狀態(tài)，電源給 U 組電樞繞組饋電。以此類推，當轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子扇形 片轉(zhuǎn)過 120°電角度時，