【《直流无刷电机的原理分析》2300字】

直流无刷电机的原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u6672直流无刷电机的原理分析 1277841.1直流无刷电机的基本结构 1169991.1.1直流无刷电机的主体 1242311.1.2直流无刷电机的转子位置传感器 4243781.1.3直流无刷电机的电子换向电路 542821.2直流无刷电机数学模型 61.1直流无刷电机的基本结构基本结构是有直流电源输入电能到驱动控制电路然后输出给直流无刷电机，直流无刷电机经位置传感器反馈转子位置信息给控制驱动电路。图1.1基本结构1.1.1直流无刷电机的主体直流无刷电机同有刷电机重要部件一样，只是少了机械换向机构。和直流有刷电动机不同，电动机的静态部件是无刷电机定子，通常包括三个部分：基座、定子铁芯、绕组。采用堆叠式硅钢片组成定子铁芯，以改善电动机的工作效率和减少铁损。硅钢片通常是以带齿的环状冲片为基础，在其表面经过氧化、绝缘以减少涡流损失，并在一定程度上减少了电动机的噪声和扭矩波动。在定子槽中安装电枢线圈，形成定子绕组。直流无刷电动机有单相、两相和三相的结构，其中三相是最常用的。定子的绕组也是电机本体的重要组成部分。定子绕组中线圈的互连方式决定了电机是正弦还是梯形（方波）电机，不同的连接方式会产生不同类型的反电动势（EMF）。控制的类型因类型不同而不同。当连接到电源时，定子绕组在电流作用下产生磁势，与转子的永久磁铁产生的主磁场相互作用，产生电磁扭矩。当无刷直流电动机在负载下运行时，绕组中会产生一些反电，从而消耗电能。当电机旋转时，每个绕组产生一个电压，称为反向发射，根据衍射定律，其方向与施加到绕组的主电压相反。这种反发射的极性与激励电压的极性相反。这也是无感控制中的反发射检测原理。图1.2定子转子是电机的旋转部分，转子是电动机、发电机或交流发电机中电磁系统的一个移动部件。它的旋转是由于绕组和磁场之间的相互作用，产生了围绕转子轴的扭矩，扭矩是通过磁场和电流的相互作用而产生的力。在发电机和交流发电机中，转子的设计是突出极或圆柱形。旋转的磁场在经过转子杆时，会在转子杆上感应出一个电压。它主要分为稀土钴和钕铁硼，特点是磁能积高、剩磁高、矫顽力高。并且钕铁硼的磁性更好，价格更便宜，一个早期的电磁旋转的例子是由ÁnyosJedlik在1826-27年用电磁铁和换向器建造的第一台旋转机。电力领域的其他先驱包括HippolytePixii，他在1832年建造了一台交流发电机，以及WilliamRitchie在1832年建造了一台带有四个转子线圈、一个换向器和电刷的电磁发电机。发展很快就包括了更多有用的应用，如莫里茨-赫尔曼-雅各比的电机，它能以每秒一英尺的速度举起10至12磅，约为1834年的15瓦的机械功率。1835年，弗朗西斯-沃特金斯描述了他创造的一个电气"玩具"；他被普遍认为是最早理解电机和发电机的可替换性的人之一。图1.3转子磁体横截面为了运行可靠，转轴需要能够承受高强度，所以通常由高强度金属材料比如钢材料车磨而成。直流无刷电机的转子有两种：内转子和外转子，内转子的转轴铁芯上有镶嵌的闭合磁导体，这部分导体可以提供闭合磁路，转子两端带有滚动轴承并安装在电机外壳的端盖中。外转子则是定子位于内侧，转子包括一个在外部旋转的钟形外壳，磁体安装在该外壳上，提供闭合磁路。图1.4内转子电机图1.5外转子电机1.1.2直流无刷电机的转子位置传感器一个好的转子位置编码器的指标是抗噪声能力、输出振幅精度、损耗、工作温度、响应时间、尺寸和重量、安装的方便性和可靠性。产品范围包括磁性、电磁、光电、正弦和余弦传感器，以及旋转编码器。在工业中，对于转子位置检测一般采用光电编码片，但是由于其造价高昂，故本设计不予采用。另一种方法是利用霍尔效应（霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年对金属的传导机制进行研究时所发现的一种电磁作用。当一个与电流方向垂直的磁场被施加在半导体上时，会引起半导体中的电子和空穴受到洛伦兹力（左手定律）的影响，从而在不同的方向上聚集，形成一个电场，当电场力与洛伦兹力达到一定程度后，就会停止凝聚，从而抵消洛伦兹力。所生成的内部电压叫做霍尔电压。对于转子位置的检测技术不仅限于有传感器，目前还有更先进的无传感器的检测技术，本设计采用有传感器的设计方案，故不在此简绍无感检测方式。图1.6定子霍尔传感器图1.7转子霍尔传感器及磁体1.1.3直流无刷电机的电子换向电路无刷直流电动机的电子换向电路通常由电源开关装置和逻辑控制电路的组合组成。功率开关以合理的方式将电流从直流源分配到定子绕组，从而使电机持续管理扭矩和功率。控制部分将传感器感应到的信号转换为适当的脉冲信号，以控制功率开关装置来控制电机定子绕组的每一相的时间。目前，无刷直流电动机的主开关通常是一个全控器件，如IGBT或MOSFET。一些驱动系统包括电源模块和智能电源模块，使用这些模块可以显著提高整个系统的可靠性。图1.8电子换向电路1.2直流无刷电机数学模型我们以两相导通星形三相六状态为例，分析BLDC的数学模型及电磁转矩特性。为了分析方便，假定：1三相绕组完全对称，同时定子电流、转子磁场分布也完全对称，气隙磁场为方波；2忽略齿槽和换向过程和电枢反应等影响；3电枢绕组在定子内表面连续均匀分布；4磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。三相绕组电压平衡方程为(2-1)式中：ua，ub，uc为定子绕组电压（V）；ia，ib，ic为定子绕组电流（A）；ea，eb，ec为定子绕组电动势（V）；L为每相绕组的自感（H）；M为每相绕组间互感（H）；p为微分算子（p=d\dt）。三相绕组为星形连接，且没有中线，则ia+ib+ic=0Mia+Mib+Mic=0得最终电压方程：(2-2)图1.9等效电路直流无刷电机的电磁转矩方程和普通直流电机相似，电磁转矩大小与磁通和电流幅值成比：(2-3)所以控制逆变器输出方波电流幅值就可以控制BLDC电机的转矩。为产生恒定电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流持续时间为120°电角度