無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動(dòng)原理

在第 3 部分中，我們將解釋無刷電機(jī)在結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)原理上的差異，并將它們與有刷直流電機(jī)和交流電機(jī)進(jìn)行比較。

無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動(dòng)原理

無刷電機(jī)在保持直流電機(jī)優(yōu)良可控性的同時(shí)，用電子元器件代替了電刷和換向器。

2.2.1 無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子包含永磁體，定子包含繞組，這意味著該結(jié)構(gòu)將圖 2.1 所示的直流電機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子的位置顛倒(上一篇)。對(duì)于有刷直流電機(jī)，一旦電流通過換向器和電刷提供給繞組，電機(jī)就開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，下一組換向器和電刷通電，從而將電流引導(dǎo)到不同的繞組并繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。 由于無刷電機(jī)無需使用電刷或換向器即可實(shí)現(xiàn)換向，因此它們需要磁極傳感器(霍爾元件、霍爾效應(yīng) IC 等)來檢測(cè)永磁體的磁極位置，以及用于引導(dǎo)電流流過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器根據(jù)檢測(cè)到的磁極位置繞組。

2.2.2. 無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理

為了解釋無刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理，我們將使用圖 2.8 中所示的簡(jiǎn)化三相 2 極模型。

對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鐵，北極和南極的磁極角均為 180°。磁極傳感器 Ha、Hb 和 Hc 相隔 120°，它們檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁鐵的北極并輸出信號(hào)。

對(duì)于定子，U相線圈、V相線圈和W相線圈間隔120°并且與磁極傳感器偏移60°。

對(duì)于定子的每個(gè)相繞組，當(dāng)電流從驅(qū)動(dòng)電路流向電機(jī)時(shí)，在定子的內(nèi)徑側(cè)產(chǎn)生南極。當(dāng)電流以相反方向流動(dòng)時(shí)，在定子的內(nèi)徑側(cè)產(chǎn)生北極。圖 2.8 顯示了電流從 U 相流向 V 相時(shí)的狀態(tài)。

為了解釋電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理，讓我們使用圖 2.9 所示的旋轉(zhuǎn)順序，并假設(shè)圖 2.8 所示的轉(zhuǎn)子磁鐵的方向是初始點(diǎn)(0°)。

1.在區(qū)間(a)，磁極傳感器Ha和Hc檢測(cè)到N極并輸出信號(hào)。在這種情況下，如果晶體管 Tru+ 和 Trv= 導(dǎo)通，則電流從定子中的 U 相線圈流向 V 相線圈。此時(shí)，V相在轉(zhuǎn)子磁鐵中的北極被磁化(勵(lì)磁)，吸引南極，排斥北極。U 相在南極磁化(勵(lì)磁)并排斥轉(zhuǎn)子磁體中的南極。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2.在區(qū)間(b)中，超過60°，只有磁極傳感器Ha檢測(cè)到北極并輸出信號(hào)。在這種情況下，如果晶體管Tru+和Trw-導(dǎo)通，則電流從定子中的U相線圈流向W相線圈。U 相保持勵(lì)磁，吸引轉(zhuǎn)子磁體中的北極，并排斥轉(zhuǎn)子磁體中的南極。W 相被激發(fā)為北極并排斥轉(zhuǎn)子磁體中的北極。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

3. 每旋轉(zhuǎn)60°，磁極傳感器Ha、Hb、Hc的ON/OFF組合發(fā)生變化。對(duì)于電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，有6種不同的磁極傳感器輸出組合，分別用(a)到(f)表示。通過為每個(gè)模式順序切換一組確定的激發(fā)相，連續(xù)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

另外，通過改變磁極傳感器Ha、Hb、Hc的各輸出組合的電流流過線圈的方式，可以反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

例如，如果僅磁極傳感器Ha檢測(cè)到N極并在上述間隔(b)輸出信號(hào)時(shí)晶體管Trv+和Tru-導(dǎo)通，則電流從V相線圈流向U相線圈定子。此時(shí)U相在轉(zhuǎn)子磁鐵中被勵(lì)磁為北極，吸引南極，排斥北極。V 相被激發(fā)為南極并排斥轉(zhuǎn)子磁體中的南極。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

總之，無刷電機(jī)通過根據(jù)磁極傳感器輸出信號(hào)引導(dǎo)電流流過相線圈來旋轉(zhuǎn)。傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)以及晶體管的自動(dòng)切換由“驅(qū)動(dòng)電路”處理，有時(shí)也稱為“驅(qū)動(dòng)器”或“驅(qū)動(dòng)器”。

提示：無刷電機(jī)電流

直流電施加于無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，但交流電流過電機(jī)。為此，無刷電機(jī)有時(shí)也被稱為交流同步電機(jī)。

2.2.3 無刷電機(jī)特性

如“2.2.1 無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)”中所述，無刷電機(jī)中的定子和轉(zhuǎn)子位置與直流電機(jī)中的位置相反。因此，如圖 2.10 所示，無刷電機(jī)的基本速度-轉(zhuǎn)矩特性呈現(xiàn)出與有刷直流電機(jī)相同的傾斜特性，電機(jī)以與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相匹配的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

如果速度減慢，則電機(jī)產(chǎn)生的扭矩增加，并且流過與扭矩成比例的電流。如果流過大電流，電機(jī)的永磁體磁力可能會(huì)降低(退磁)，繞組可能會(huì)過熱而燒毀。此外，驅(qū)動(dòng)電路上的輸出元件和轉(zhuǎn)換器必須能夠處理大電流，這導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路體積大且價(jià)格昂貴。

如果轉(zhuǎn)速增加，電機(jī)產(chǎn)生的扭矩減少，驅(qū)動(dòng)所需的負(fù)載扭矩減少，不適合使用。以更高的速度運(yùn)行它會(huì)增加齒輪箱與電機(jī)結(jié)合發(fā)出的噪音，并且還會(huì)導(dǎo)致齒輪箱潤滑不足，從而影響使用壽命。

由于上述原因，對(duì)于無刷電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路限制了流過電機(jī)的最大電流和最大轉(zhuǎn)速。因此，Oriental Motor 產(chǎn)品目錄中印制的速度-扭矩特性類似于圖 2.11。

提示：轉(zhuǎn)子磁鐵退磁

永磁體是通過對(duì)磁性材料施加強(qiáng)磁場(chǎng)來磁化的。相反，使過大的電流流過電機(jī)會(huì)導(dǎo)致定子產(chǎn)生反磁場(chǎng)，從而降低轉(zhuǎn)子磁體的磁力。這稱為退磁。

Oriental Motor 的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)旨在防止在產(chǎn)生最大瞬時(shí)扭矩的電流下退磁。

2.2.4 無刷電機(jī)特點(diǎn)

無刷電機(jī)的特點(diǎn)如下所示。

與直流電機(jī)相比

速度-轉(zhuǎn)矩特性具有與有刷直流電機(jī)相同的斜率特性，具有優(yōu)良的可控性。

由于沒有電刷和換向器，無需清洗磨損粉、更換電刷或進(jìn)行其他定期維護(hù)，使用壽命更長。

由于沒有電刷或換向器，因此沒有電弧引起的電子噪聲。產(chǎn)生開關(guān)噪聲。

不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪音(刷子)。

運(yùn)行需要磁極傳感器和驅(qū)動(dòng)器。

由于從磁極傳感器輸出檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速并進(jìn)行反饋控制，因此速度精度高。

因?yàn)橛蟹答伩刂?，所以可以在操作過程中檢測(cè)到異常行為。

與變頻控制電機(jī)和交流調(diào)速電機(jī)相比

由于扭矩從低速到高速是平坦的，因此速比對(duì)于所有實(shí)際用途來說都很大。

如果在相同輸出功率下進(jìn)行比較，無刷電機(jī)體積更小，效率更高。

可與直流電源一起使用。

由于從磁極傳感器輸出檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速并進(jìn)行反饋控制，因此速度精度高。

因?yàn)橛蟹答伩刂?，所以可以在運(yùn)行過程中檢測(cè)到異常行為。0

由于有刷直流電機(jī)價(jià)格低廉，因此它們被用于要求壽命相對(duì)較短的各種應(yīng)用。然而，對(duì)于一般工業(yè)用途，不僅存在壽命和可維護(hù)性問題，而且在運(yùn)行期間的速度精度、故障檢測(cè)等方面也需要高度的可靠性，這導(dǎo)致了無刷電機(jī)越來越受歡迎。此外，由于電機(jī)體積小、輸出功率大、效率高，因此被用于需要小型輕量化的設(shè)備以及電池供電設(shè)備。

審核編輯：湯梓紅