【《无刷直流电机基本原理分析》2500字】

无刷直流电机基本原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u22190无刷直流电机基本原理分析 1175821.1无刷直流电机结构 194441.2无刷直流电机数学模型 2306141.3无刷直流电机工作原理 340181.4无刷直流电机的特点和优势 562001.4.1BLDC的特点 5183721.4.2BLDC的优点 61.1无刷直流电机结构普通有刷直流电动机的电枢处于转子上，定子生产稳定不变的磁场，换向器与电刷持续变更电流的方向，使电动机转动。但是，无刷型直流电机将电枢固定在定子上以除去电刷，而转子为永磁体，因此产生了有刷型直流电机的反形。无刷直流电机的结构相对简单、运行效率高、可靠性高。其一般组成为电机主体、换向电路、传感器等，如图2-2。图2-1有刷电机和无刷电机的比较图2-2无刷直流电机基本控制结构1.2无刷直流电机数学模型由电机结构可知三相定子绕组在状态空间上互呈120°，建立二二接通形式的三相星形连接方式的六状态的无刷直流电机的数学模型，同时假设状态空间为理想条件。根据电机工作的原理可以得知在任意时刻电机的电压平衡方程为。(2-2)电机的电压方程为(2-2)在上面的式子（2-2）当中Ra、Rb、Rc各自均代表的是所有定子环绕组成的电阻，同时它们还满足Ra=Rb=Rc=Rs。La、Lb、Lc各自均代表的是所有定子定子环绕组成的自感Lab、Lac、Lbc各自均代表的是两项绕组彼此间的互感。ua、ub、uc各自均代表的是所有定子的电压。ia、ib、ic各自均代表的是所有定子的电流。ea、eb、ec各自均代表的是所有定子的反向电动势。P=d/dt。不用考虑永磁转子所产生的干扰。在理想条件下这些参数和转子位置没有关系，因此可视为常数，将上式改写为如下：(2-3)由于电机接线方式为三相星形连接，没有中间线。由基尔霍夫定律可知ia+ib+ic=0.带入（2-3）后电压平衡发成为：(2-4)用状态方程表示（3-4）如下。(2-5)所以，图2-3显示了无刷直流电动机的等效电路图。图2-3无刷直流电机等效电路图1.3无刷直流电机工作原理本课题所设制出的无刷直流电机管控系统使用的是三相全桥驱动方式，驱动电路图为2-4。依据电机的转动规则，位置传感器可以测定转子的方位，生成较有规则的霍尔信号。采用全桥导通电路时，同一位置上下桥不能同时导通，同侧上桥或下桥不能同时导通。根据导通规律可以得到六个换向信号，若采用三位二进制数来表示导通规律，规定上桥导通为0，下桥导通为1，即可得到011-001-101-100-110-010的导通规律，如果采用相反的导通控制信号，可使电机反转。转子每过经过60°电机状态发生一次改变，推导出霍尔信号是由霍尔传感器检测到转子的位置而产生的信号数据，并且具有规律性的变化。根据全桥的导通规律，同一位置上下桥不能同时导通，上桥或下桥不能整侧同时导通，可以得出六个换向时刻的信号，如果采用三位的二进制表示导通顺序的话，每个位置上桥导通为1，下桥导通为0，规律应该是100-110-010-011-001-101。如果测量得到的霍尔信号的排列秩序和其刚好反过来，电机就可以做相反方向的运转。每转60度，功率管开关一次，电枢换电一次，则霍尔信号也随之改变，这样便推导出功率管导通状态控制规律表，如表3.1所示。这样规律地导通功率管的过程中，可让线圈内出现的旋转磁场和转子磁场存在角度差异，由此生成电磁力矩，带动电机转动，驱动直流无刷电机。图2-4三相全桥驱动电路依据电机的转动规则，位置传感器可以测定转子的方位，生成规则的霍尔信号。采用全桥导通电路时，同一位置上下桥不能同时导通，同侧上桥或下桥不能同时导通。根据导通规律可以得到六个换向信号，若采用三位二进制数来表示导通规律，规定上桥导通为0，下桥导通为1，即可得到011-001-101-100-110-010的导通规律，如果采用相反的导通控制信号，可使电机反转。转子每过经过60°电机状态发生一次改变，推导出MOC导通状态2-1。该绕组内生成的旋转磁场，与转子存在部分角度差异，由此生成电磁力矩，带动转子转动。表2-1MOC管导通状态控制规律表霍尔信号011001101100110010T1T2T3T4T6T6在空间中，定子所生成的磁场成间断的状态，它是一个逐步旋转的磁场。步进角是60°，所有的状态电机均存在两相通路，当每一相电流通过时，电机转动120°。如图2-5所示表示了每个状态状态下电机的通电定子绕组产生的磁场方向（红，蓝箭头表示）和合成磁感应强度方向，(a)AB相通电（b）AC相通电(c)BC相通电（d）BA相通电(e)CA相通电（f）CB相通电图2-5电机六种导通情况下定子产生旋转磁场方向1.4无刷直流电机的特点和优势1.4.1BLDC的特点（1）当前，在定子永磁系统中，大量使用高磁能级稀土钕铁硼，使得无刷直流电机与相同容积的三相异步电机相比，其体积更小。（2）无刷直流电机具有较大的高效面积，高功率及转矩密集程度，且功率因数无限和1靠拢，系统的功效要比90%大。（3）电机使用的是变频调节速度，转速同步，转子内无铜铁损耗。（4）调速范围大，可以实现无级调速。（5）低电压，扭矩过载的特点性能非常好，开启时的扭矩比较大，开启时的电流比较小。（6）用电子变化方向代替机械变化方向，不产生机械性质的摩擦和火花。1.4.2BLDC的优点具有良好的调节速度的性质功能，体积比较小巧，质量也不重，工作成效比较高，转动时产生的惯量也比较少，无励磁损耗。相比较直流电机而言：因为无刷机械摩擦的原因，使无刷电机拥有了可靠、高效、不需要护理、无噪音、速率比较大、散热方便等优势。与永磁同步电机相比：控制简单，制造容易，成本低。与直流电机以及永磁同步电机相比，其转矩波动较大。表2-2对无刷直流电机、有刷直流电机和异步电机进行了对比。表2-2三种电机比较永磁无刷直流电机永磁有刷直流单机交流感应电机定子多相绕组永磁多相绕组转子永磁绕组线绕组或笼形绕组转子位置传感器需要不需要不需要电滑动接触火花无有（换向器与点刷）集电环可能存在EMC干扰较低高低可闻噪声较低高低电子控制器必需调速时需要调速时需要使用电源DCDCAC使用电压范围高（受功率器件耐压限制）较低（受换向器耐压限制）高机械特性接近线性线性非线性启动转矩倍数较高较高较低高速范围高（受转子离心力限制）低（受换向器离心力限制）高（受转子离心力限制）效率高（转子几乎没有损耗）较低（换向器与电刷摩擦损耗，电刷压降损耗）低（转