無刷直流電機(jī)構(gòu)成及工作原理

直流電機(jī)主要有直流有刷電機(jī)和無刷直流電機(jī)兩種，特別是無刷直流電機(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，本文對無刷直流電機(jī)構(gòu)成及工作原理進(jìn)行介紹。

無刷直流電機(jī)簡介

無刷直流電機(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)簡單、無換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1.無刷直流電機(jī)模型

無刷直流電機(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)組成?？梢姡椭绷麟姍C(jī)有著很多共同點(diǎn)，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多(原來的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ?，繞組的連線也基本相同。但是，結(jié)構(gòu)上它們有一個明顯的區(qū)別：無刷直流電機(jī)沒有直流電機(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)就相對簡單，降低了電機(jī)的制造和維護(hù)成本，但無刷直流電機(jī)不能自動換向(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)動橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機(jī)的驅(qū)動橋則需要 6 只功率管)。

圖1所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對極的無刷直流電機(jī)，它的定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外。另一種無刷直流電機(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。

無刷直流電機(jī)有以下的特點(diǎn)：

● 無刷直流電機(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轉(zhuǎn)矩；

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

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

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

● 無刷直流電機(jī)的體積小，功率密度高；

● 無刷直流電機(jī)無機(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；

● 無刷直流電機(jī)比異步電機(jī)的驅(qū)動控制簡單。

無刷直流電機(jī)的工作原理

無刷直流電機(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，電機(jī)不能轉(zhuǎn)動起來，只有實(shí)時(shí)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的不同相通以對應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動起來。

如圖2所示為無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理示意圖，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，對應(yīng)的相線圈被通電。由于三個位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，會依次導(dǎo)通，使得對應(yīng)的相線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場方向也不斷地變化，電機(jī)轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動起來，這就是無刷直流電機(jī)的基本轉(zhuǎn)動原理——檢測轉(zhuǎn)子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場的方向連續(xù)均勻地變化。

圖2.無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動原理示意圖

無刷直流電機(jī)的驅(qū)動方法

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

按驅(qū)動波形：

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

● 正弦驅(qū)動，這種驅(qū)動方式可以改善電機(jī)運(yùn)行效果，使輸出力矩均勻，但實(shí)現(xiàn)過程相對復(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。