無刷直流電機(jī)

關(guān)于無刷直流電機(jī)第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四簡(jiǎn)介：

無刷電機(jī)是指無電刷和換向器（或集電環(huán)）的電機(jī)，又稱無換向器電機(jī)。早在上世紀(jì)誕生電機(jī)的時(shí)候，產(chǎn)生的實(shí)用性電機(jī)就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。但是，異步電動(dòng)機(jī)有許多無法克服的缺陷。本世紀(jì)中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。這種新型無刷電機(jī)稱為電子換向式直流電機(jī)，它克服了第一代無刷電機(jī)的缺陷。

第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四直流無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

下圖為直流無刷電機(jī)的外部形狀第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四前言：傳感器的無刷直流電機(jī)與無傳感器的無刷直流電機(jī)的基本工作原理是一致的，主要差別是有傳感器的無刷直流電機(jī)是利用如霍爾元件位置傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。而無位置傳感器的無刷直流電機(jī)取消了作為位置傳感器的霍爾元件，利用一些控制算法來計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四注：霍爾元件是應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。一般用于電機(jī)中測(cè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,如錄象機(jī)的磁鼓,電腦中的散熱風(fēng)扇等;是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器。所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。

第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四無刷直流電機(jī)的基本組成

無刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體，位置傳感器和電子換向線路組成。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其他起動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等相)。轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2p=2，4，……)組成。第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四無刷直流電機(jī)的工作原理

在無刷直流電動(dòng)機(jī)集中，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(duì)轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)的位置，由轉(zhuǎn)子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(hào)，通過電子轉(zhuǎn)換電路，按照一定的邏輯程序去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組相連接的相應(yīng)的功率開關(guān)晶體管，把電流開關(guān)換向到相應(yīng)的電樞繞組。第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四

隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置傳感器不斷地發(fā)送出信號(hào)，致使電樞繞組不斷地依次通電，不斷地改變通電狀態(tài)，從而使得在某一磁極下的線圈導(dǎo)體中流過的電流方向始終不變，這就是無刷直流永磁電機(jī)的無接觸式電子換向過程的實(shí)質(zhì)。第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四我們可以設(shè)想：在有刷直流電機(jī)中，如果把原先處于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)電樞翻出來變成定子，把所有被連接在機(jī)械換向器上面的電樞繞組的引線頭抽出來，并且給每一個(gè)引線頭提供一個(gè)功率晶體管開關(guān)；而把原先處于外部的靜止永磁體移入電動(dòng)機(jī)的內(nèi)腔變?yōu)檗D(zhuǎn)子，即可實(shí)現(xiàn)有刷與無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)換，但這樣必須包含大量的功率晶體管開關(guān)元件和與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，這種方法很難實(shí)現(xiàn)。因此，定子電樞采用一般交流電動(dòng)機(jī)中的三項(xiàng)繞組，借助轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)與定子電樞繞組三項(xiàng)軸線之間的相對(duì)空間位置，通過邏輯信號(hào)處理和控制，來實(shí)現(xiàn)定子電樞三相繞組的電子換向。第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四電樞繞組的連接方式

一、星形連接繞組

星形連接繞組是把所有相繞組線圈的首段或尾端連接在一起；與之相配的電子換向（相）電路可以是橋式線路，也可以是非橋式電路。圖（a）（b）為星形繞組與橋式線路組合，圖（c）（d）為星形繞組與非橋式線路的組合第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四封閉式連接繞組第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四特殊連接的繞組第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四電子換向（相）

換向（相）又可以稱為“換流”。在無刷直流永磁電機(jī)中，來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)，經(jīng)處理后按一定的邏輯程序，驅(qū)使某些與電樞繞組相連接的功率開關(guān)晶體管在某一瞬間導(dǎo)通或截止，迫使某些原來沒有電流的電樞繞組內(nèi)開始流通電流，某些原來有電流的電樞繞組內(nèi)開始關(guān)斷電流或改變電流的流通方向，從而迫使定子磁狀態(tài)產(chǎn)生變化。我們把這種利用電子電路來實(shí)現(xiàn)電樞繞組內(nèi)電流變化的物理過程稱為電子換向（相）或“換流”。每“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(huì)在工作氣息內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四以三相星形橋式連接為例1、二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)2、三相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)3、二相三相輪流導(dǎo)通星形三相十二狀態(tài)第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四

無接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾磁敏傳感器是目前被廣泛采用的兩種轉(zhuǎn)子位置傳感器?；魻柎琶魝鞲衅髟诰哂匈|(zhì)量輕、尺寸小、制造成本低和便于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，存在著對(duì)環(huán)境條件要求嚴(yán)、溫度適應(yīng)范圍窄和可靠性差等缺點(diǎn)。因此霍爾磁敏傳感器被廣泛地用于計(jì)算機(jī)的軟硬件盤驅(qū)動(dòng)器、激光打印機(jī)、試聽設(shè)備和家用電器等民用電動(dòng)機(jī)中?；魻柎琶魝鞲衅鞯?9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四霍爾器件

——以鎖存型為例

霍爾元件按功能可分為三大類：線性型、開關(guān)型和鎖存型第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四

鎖存器霍爾元件時(shí)一個(gè)僅有“0”和“1”兩種狀態(tài)的雙值器件。一個(gè)雙值器件有兩種狀態(tài)，二個(gè)雙值器件有四種狀態(tài)，n個(gè)雙值器件有種狀態(tài)。根據(jù)上述原則，對(duì)于最常見的“而相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)”的電機(jī)而言，一般采用三個(gè)霍爾器件。它們?cè)趫A周的配置有兩個(gè)方案：相隔60度電角或相互間隔120度角。第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四舉例：“二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的工作情況”第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四

逆變器是六個(gè)BG1至BG6的功率開關(guān)元件所組成的橋式電路，霍爾轉(zhuǎn)子的位置傳感器輸出地A、B和C三個(gè)信號(hào)饋送至PIC18FXX31微控制器，作為PIC18FXX31微控制器的輸入信號(hào)。然后，PIC18FXX31微控制器根據(jù)下表所規(guī)定的驅(qū)動(dòng)順序定義，對(duì)逆變器中六個(gè)功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行控制第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)無刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)的區(qū)別，有刷電機(jī)采用機(jī)械換向，壽命短﹑噪聲大﹑產(chǎn)生電火花，效率低。它長(zhǎng)期使用碳刷磨損嚴(yán)重，較易損壞。同時(shí)磨損產(chǎn)生了大量的碳粉塵，這些粉塵落軸承中，使軸承油加速干涸，電機(jī)噪聲進(jìn)一步增大。有刷電機(jī)連續(xù)使用一定時(shí)間就需更換電機(jī)內(nèi)碳刷。無刷電機(jī)以電子換向取代機(jī)械換向，無機(jī)械摩擦，無磨損，無電火花，免維護(hù)且能做到更加密封等特點(diǎn)所以技術(shù)上要優(yōu)于有刷電機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能積的稀土釹鐵硼材料。因此，稀土永磁無刷電動(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)。第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四無刷直流電機(jī)的高效率，高效區(qū)域大，功率和轉(zhuǎn)矩密度高，功率因數(shù)（COSΦ）接近1，系統(tǒng)效率＞90%,永磁無刷直流電機(jī)在任何情況下轉(zhuǎn)子都是同步運(yùn)行，交流變頻電機(jī)是變頻調(diào)速，無刷直流電機(jī)是調(diào)速變頻，電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子既無銅耗又無鐵耗。無刷直流電機(jī)具有低電壓特性好，轉(zhuǎn)矩過載特性強(qiáng)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大（堵轉(zhuǎn)特性），啟動(dòng)電流小等優(yōu)點(diǎn)。第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四

無刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器也是頻率變化的裝置，所以又名直流變頻，無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，低速轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好，由于無刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)象變頻調(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。多年來業(yè)界對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)必將以其寬調(diào)速﹑小體積﹑高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)?？梢越鉀Q產(chǎn)業(yè)界節(jié)點(diǎn)與高性能驅(qū)動(dòng)的需求。第32頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四特性直流無刷電機(jī)有刷直流電機(jī)換向器給予霍爾傳感器的電子換向有刷機(jī)械換向器壽命較長(zhǎng)較短扭矩、轉(zhuǎn)速比額定負(fù)載下可在所有轉(zhuǎn)速下正常工作高轉(zhuǎn)速時(shí)電刷將影響其有效輸出轉(zhuǎn)矩效率高效率適中輸出功率、外形尺寸比高，好的溫度特性由于其線圈是在定子上，所以有很好的散熱特性中等或低，由于電