无刷直流电机最终版[稻谷书苑]

1、无刷直流电机无刷直流电机 1知识书苑 简介：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。 2知识书苑 直流无刷电机的结构 下图为直流无刷电机的外部形状 3知识书苑 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

2、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。 4知识书苑 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。 5知识书苑 无刷直流电机的基本组成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

3、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。 6知识书苑 无刷直流电机的工作原理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。 7知识书苑 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

4、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。 8知识书苑 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，

5、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。 9知识书苑 电枢绕组的连接方式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 10知识书苑 11知识书苑 封闭式连接绕组封闭式连接绕组 12知识书苑 特殊连接的绕组特殊连接的绕组 13知识书苑 电子换向（相）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

6、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。 14知识书苑 以三相星形桥式连接为例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 15知识书苑 16知识书苑 17知识书苑 18知

7、识书苑 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磁敏传感器 19知识书苑 霍尔器件霍尔器件 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 20知识书苑 21知识书苑 22知识书苑 n 2 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

8、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。 23知识书苑 24知识书苑 举例：举例：“二相导通星形三相六状态无刷直流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永磁电动机的工作情况” 25知识书苑 26知识书苑 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

9、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 27知识书苑 28知识书苑 29知识书苑 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，

10、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。 30知识书苑 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。 31知识书苑 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

11、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 子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。 多年来业界对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在 寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动 机必将以其宽调速小体积高效率和稳态转速误差小等 特点在调速领域显现优势。可以解决产业界节点与高性能 驱动的需求。 32知识书苑 特性特性直流无刷电机直流无刷电机有刷直流电机有刷直流电机 换向器给予霍尔传感器的电子换向有刷机械换向器 寿命较长较短 扭矩、转速比额定负载下可在所有转速下正常 工作 高转速时电刷将影响其有 效输出转矩 效率高效率适中 输出功率、外形尺 寸比 高，好的温度特性由于其线圈是 在定子上，所以有很好的散热特 性