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技術(shù)分享

直流永磁無刷電動(dòng)機(jī)的工作原理
2024-01-04

     直流無刷電機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性,而其組成是不一樣的。除了電機(jī)本身外,前者還多一個(gè)換向電路,電機(jī)本身和換向電路緊密結(jié)合在一起。許多小功率電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身是與換向電路合成一體,從外觀上看直流無刷電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)完全一樣。
  直流無刷電機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分,它除了電機(jī)電樞、永磁勵(lì)磁兩部分外,還帶有傳感器。電機(jī)本身是直流無刷電機(jī)的核心,它不僅關(guān)系到性能指標(biāo)、噪聲振動(dòng)、可靠性和使用壽命等,還涉及制造費(fèi)用及產(chǎn)品成本。由于采用永磁磁場(chǎng),使直流無刷電機(jī)擺脫一般直流電機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu),滿足各種應(yīng)用市場(chǎng)的要求,并向著省銅節(jié)材、制造簡(jiǎn)便的方向發(fā)展。永磁磁場(chǎng)的發(fā)展與永磁材料的應(yīng)用密切相關(guān),第三代永磁材料的應(yīng)用,促使直流無刷電機(jī)向高效率、小型化、節(jié)能方向邁進(jìn)。
  為了實(shí)現(xiàn)電子換向必須有位置信號(hào)來控制電路。早期用機(jī)電位置傳感器獲得位置信號(hào),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(hào),最簡(jiǎn)便的方法是利用電樞繞組的電勢(shì)信號(hào)作為位置信號(hào)。
  要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制必須有速度信號(hào)。用獲得位置信號(hào)相近方法取得速度信號(hào),最簡(jiǎn)單的速度傳感器是測(cè)頻式測(cè)速發(fā)電機(jī)與電子線路相結(jié)合。
  直流無刷電機(jī)的換向電路由驅(qū)動(dòng)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(jī)中,驅(qū)動(dòng)電路和控制電路可各自成為一體。驅(qū)動(dòng)電路輸出電功率,驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組,并受控于控制電路。目前,驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管和隔離柵場(chǎng)效應(yīng)雙極晶體管等組成形式。雖然,隔離柵場(chǎng)效應(yīng)雙極晶體管價(jià)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(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、電流(或轉(zhuǎn)矩)以及保護(hù)電機(jī)的過流、過壓、過熱等。上述參數(shù)容易轉(zhuǎn)成模擬信號(hào),用此來控制較簡(jiǎn)單,但從發(fā)展來看,電機(jī)的參數(shù)應(yīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,通過數(shù)字式控制電路來控制電機(jī)。當(dāng)前,控制電路有專用集成電路、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等三種組成方式。在對(duì)電機(jī)控制要求不高的場(chǎng)合,專用集成電路組成控制電路是簡(jiǎn)單實(shí)用的方式。采用數(shù)字信號(hào)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(hào)處理器將在下面交流同步伺服電動(dòng)機(jī)中介紹。
  目前,在微小功率范疇直流無刷電動(dòng)機(jī)是發(fā)展較快的新型電機(jī)。由于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域需要各自獨(dú)特的直流無刷電動(dòng)機(jī),所以直流無刷電動(dòng)機(jī)的類型較多。大體上有計(jì)算機(jī)外存儲(chǔ)器以及VCD、DVD、CD主軸驅(qū)動(dòng)用扁平式無鐵心電機(jī)結(jié)構(gòu),小型通風(fēng)機(jī)用外轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu),家電用多極磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)及內(nèi)裝式結(jié)構(gòu),電動(dòng)自行車用多極、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等等。上述直流無刷電動(dòng)機(jī)的電機(jī)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(chǎng)需要,直流無刷電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)必須要形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。因此,直流無刷電動(dòng)機(jī)是一種高投入、高產(chǎn)出的行業(yè)。同時(shí),我們應(yīng)該考慮到市場(chǎng)也在不斷地發(fā)展,如家用空調(diào)用電機(jī)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(dòng)機(jī),研究和開發(fā)中小功率的直流無刷電動(dòng)機(jī)也成當(dāng)務(wù)之急。
  無刷直流電機(jī)(BLDCM)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的,但它的驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流;無刷直流電機(jī)又可以分為無刷速率電機(jī)和無刷力矩電機(jī)。一般地,無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(shí)候把前一種叫直流無刷電機(jī),后一種叫交流伺服電機(jī),確切地講是交流伺服電動(dòng)機(jī)的一種。
  無刷直流電機(jī)為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,通常采用“細(xì)長(zhǎng)”的結(jié)構(gòu)。無刷直流電機(jī)在重量和體積上要比有刷直流電機(jī)小的多,相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)一般的容量都在100kW以下。
  這種電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好,調(diào)速范圍廣,壽命長(zhǎng),維護(hù)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(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。

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