无刷直流电机最终版

无刷直流电机 简介 无刷电机是指无电刷和换向器 或集电环 的电机 又称无换向器电机 早在上世纪诞生电机的时候 产生的实用性电机就是无刷形式 即交流鼠笼式异步电动机 但是 异步电动机有许多无法克服的缺陷 本世纪中叶诞生了晶体管 因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了 这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机 它克服了第一代无刷电机的缺陷 直流无刷电机的结构 下图为直流无刷电机的外部形状 前言 传感器的无刷直流电机与无传感器的无刷直流电机的基本工作原理是一致的 主要差别是有传感器的无刷直流电机是利用如霍尔元件位置传感器来检测转子位置信号 而无位置传感器的无刷直流电机取消了作为位置传感器的霍尔元件 利用一些控制算法来计算出转子位置信号 注 霍尔元件是应用霍尔效应的半导体 一般用于电机中测定转子转速 如录象机的磁鼓 电脑中的散热风扇等 是一种基于霍尔效应的磁传感器 所谓霍尔效应 是指磁场作用于载流金属导体 半导体中的载流子时 产生横向电位差的物理现象 无刷直流电机的基本组成 无刷直流电机主要由电机本体 位置传感器和电子换向线路组成 电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似 但没有笼型绕组和其他起动装置 其定子绕组一般制成多相 三相 四相 五相不等相 转子由永久磁钢按一定极对数 2p 2 4 组成 无刷直流电机的工作原理 在无刷直流电动机集中 电枢绕组被设置在定子上 永磁体磁极被设置在转子上 定子各相电枢绕组相对转子永磁体磁场的位置 由转子位置传感器通过电子方式或电磁方式所感知 并利用其输出信号 通过电子转换电路 按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连接的相应的功率开关晶体管 把电流开关换向到相应的电枢绕组 随着转子的转动 转子位置传感器不断地发送出信号 致使电枢绕组不断地依次通电 不断地改变通电状态 从而使得在某一磁极下的线圈导体中流过的电流方向始终不变 这就是无刷直流永磁电机的无接触式电子换向过程的实质 我们可以设想 在有刷直流电机中 如果把原先处于电动机内部的旋转电枢翻出来变成定子 把所有被连接在机械换向器上面的电枢绕组的引线头抽出来 并且给每一个引线头提供一个功率晶体管开关 而把原先处于外部的静止永磁体移入电动机的内腔变为转子 即可实现有刷与无刷直流电机的转换 但这样必须包含大量的功率晶体管开关元件和与之相适应的转子位置传感器 这种方法很难实现 因此 定子电枢采用一般交流电动机中的三项绕组 借助转子位置传感器检测出转子永磁体磁场与定子电枢绕组三项轴线之间的相对空间位置 通过逻辑信号处理和控制 来实现定子电枢三相绕组的电子换向 电枢绕组的连接方式 一 星形连接绕组星形连接绕组是把所有相绕组线圈的首段或尾端连接在一起 与之相配的电子换向 相 电路可以是桥式线路 也可以是非桥式电路 图 a b 为星形绕组与桥式线路组合 图 c d 为星形绕组与非桥式线路的组合 封闭式连接绕组 特殊连接的绕组 电子换向 相 换向 相 又可以称为 换流 在无刷直流永磁电机中 来自转子位置传感器的信号 经处理后按一定的逻辑程序 驱使某些与电枢绕组相连接的功率开关晶体管在某一瞬间导通或截止 迫使某些原来没有电流的电枢绕组内开始流通电流 某些原来有电流的电枢绕组内开始关断电流或改变电流的流通方向 从而迫使定子磁状态产生变化 我们把这种利用电子电路来实现电枢绕组内电流变化的物理过程称为电子换向 相 或 换流 每 换流 一次 定子磁状态就改变一次 连续不断地 换流 就会在工作气息内产生一个跳跃式的旋转磁场 以三相星形桥式连接为例 1 二相导通星形三相六状态2 三相导通星形三相六状态3 二相三相轮流导通星形三相十二状态 无接触式旋转变压器和霍尔磁敏传感器是目前被广泛采用的两种转子位置传感器 霍尔磁敏传感器在具有质量轻 尺寸小 制造成本低和便于大规模生产等优点的同时 存在着对环境条件要求严 温度适应范围窄和可靠性差等缺点 因此霍尔磁敏传感器被广泛地用于计算机的软硬件盘驱动器 激光打印机 试听设备和家用电器等民用电动机中 霍尔磁敏传感器 霍尔器件 以锁存型为例 霍尔元件按功能可分为三大类 线性型 开关型和锁存型 锁存器霍尔元件时一个仅有 0 和 1 两种状态的双值器件 一个双值器件有两种状态 二个双值器件有四种状态 n个双值器件有种状态 根据上述原则 对于最常见的 而相导通星形三相六状态 的电机而言 一般采用三个霍尔器件 它们在圆周的配置有两个方案 相隔60度电角或相互间隔120度角 举例 二相导通星形三相六状态无刷直流永磁电动机的工作情况 逆变器是六个BG1至BG6的功率开关元件所组成的桥式电路 霍尔转子的位置传感器输出地A B和C三个信号馈送至PIC18FXX31微控制器 作为PIC18FXX31微控制器的输入信号 然后 PIC18FXX31微控制器根据下表所规定的驱动顺序定义 对逆变器中六个功率开关器件的导通和截止状态进行控制 无刷直流电机的特点 无刷直流电机与有刷直流电机的区别 有刷电机采用机械换向 寿命短 噪声大 产生电火花 效率低 它长期使用碳刷磨损严重 较易损坏 同时磨损产生了大量的碳粉尘 这些粉尘落轴承中 使轴承油加速干涸 电机噪声进一步增大 有刷电机连续使用一定时间就需更换电机内碳刷 无刷电机以电子换向取代机械换向 无机械摩擦 无磨损 无电火花 免维护且能做到更加密封等特点所以技术上要优于有刷电机 无刷直流电动机的永磁体 现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼材料 因此 稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号 无刷直流电机的高效率 高效区域大 功率和转矩密度高 功率因数 COS 接近1 系统效率 90 永磁无刷直流电机在任何情况下转子都是同步运行 交流变频电机是变频调速 无刷直流电机是调速变频 电机在同步转速下运行 转子既无铜耗又无铁耗 无刷直流电机具有低电压特性好 转矩过载特性强 启动转矩大 堵转特性 启动电流小等优点 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性 同时驱动器也是频率变化的装置 所以又名直流变频 无刷直流电机的运转效率 低速转矩 转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好 由于无刷直流电动机是以自控式运行的 所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转