無刷直流電機結構、型別和基本原理
一、概述
直流電動機的主要長處是調速和啟動特性好，堵轉轉矩大，被廣泛應用於各種驅動裝置和伺服系統中。但是，直流電動機都有電刷和換向器，其間形成的滑動機械接觸嚴峻地影響了電動機的精度、效能和可靠性，所產生的火花會引起無線電干擾。縮短電動機壽命，換向器電刷裝置又使直流電動機結構複雜、雜訊大、維護困難，長期以來人們都在尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機。
隨著電子技術的迅速發展，各種大功率電子器件的廣泛採用，這種願望已被逐步實現。本章要介紹的無刷直流電動機利用電子開關線路和位置感測器來代替電刷和換向器，使這種電動機既具有直流電動機的特性。又具有交流電動機結構簡樸、執行可靠、維護方便等優點；它的轉速不再受機械換向的限制，若採用高速軸承，還可以在高達每分鐘幾十萬轉的轉要中執行。
元刷直流電動機用途非常廣泛，可作為一般直流電動機、伺服電動機和力矩電動機等使用，尤其適用於高階電子裝置、機械人、航空航天技術、數控裝置、醫療化工等高新技術領域。無刷直流電動機將電子線路與電機融為一體，把先進的電子技術應用於電機領域，這將促使電機技術更新、更快地發展。
二、無刷直流電動機的基本結構和型別
(一)基本結構
無刷直流電動機是一種自控變頻的永磁同步電動機，就其基本組成結構而言．可以認為是由電動機本體、轉子位置感測器和電子開關電路三部分組成的「電動機系統」。其基本結構如圖5一20所示。
電動機本體在結構上是一台普通的凸極式同步電動機．它包括主定子和主轉子兩部分，主定子上放置空間互差120。的三相對稱電樞繞組ax、by、cz，接成星形或三角形，主轉子是用永久磁鋼製成的一對磁極。轉子位置感測器也由定子、轉子兩部分組成。
定子安裝在主電動機殼內，轉子和主轉子同軸旋轉。它的作用是把主轉子的位置檢測出來．變成電訊號去控制電子開關電路，故也稱轉子位置檢測器。電子開關電路中的功率開關元件分別與主定子上各相繞組相連線．通過位置感測器輸出的訊號，控制三極體的導通和截止．從而使主定子上各相繞組中的電流也隨著轉子位置的改變，按一定的順序進行切換，實現無接觸式的換向。
l.電機本體
元刷直流電動機是將普通直流電動機的定予與轉子進行了互換。其轉子為永久磁鐵，產氣憤隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結構上，它與永磁同步電動機類似。
無刷直流電動機定子的結構與普通的同步電動機或感應電動機相同．在鐵芯中嵌入多相繞組(三相、四相、五相不等)．繞組可接成星形或三角形，並分別與逆變器的各功率管相連，以便進行合理換相。轉子多採用釤鈷或釹鐵硼等高矯頑力、高剩磁密度的稀土料，由於磁極中磁性材料所放位置的不同．可以分為表面式磁極、嵌入式磁極和環形磁極。由於電動機本體為永磁電機，所以習慣上把無刷直流電動機也叫做永磁無刷直流電動機。
2．轉子位置感測器
轉子位置感測器是無刷直流電動機的乙個要害部件。可根據不同的原理構成如電磁感應式、光電式、磁敏式等多種不同的結構形式。其中，電磁感應式工作可靠，維護簡便，壽命長．所以應用較多。
它決定著電樞各相繞組開始通電的時刻。它的作用相稱於一般直流電動機中的電刷。改變位置檢測器產生訊號的時刻(相位)．相當於直流電動機中改變電刷在空間的位置，對無刷直流電動機的特性有很大的影響。
位置感測器一般也由定子和轉子兩部分組成。轉子是用來確定電動機本體磁極的位置，定子的安放是為了檢測和輸出轉子的位置訊號。感測器種類較多．且各具特點。
目前在無刷直流電動機中常用的位置感測器有以下幾種形式。
(1)電磁式位置感測器。是一種利用電磁效應來實現位置測量的感測元件，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關等多種形式，其中開_j變壓器使用較多。
電磁感應式轉子位置感測器原理如圖j 2l所示。其定子由原邊線圈與副邊線圈繞在同一鐵芯組成，轉子則由乙個具有一定角度(近似電動機的導通角)的導磁捌料組成，該導磁材料可由鐵氧體或矽鋼片製成。**圈的原邊wl端輸入高頻激磁訊號．在副邊線圈中感應出耦合轉子鐵芯與定子鐵芯相對位置的輸出訊號，圖中的wa經過電子線路處理，變成與電動機定子、轉子位置相對應的電平訊號，再經整形處理，就得到了電動機的換向訊號。
而沒有耦合轉子鐵芯的定子線圈wb、wc均無訊號輸出。
電磁式位置感測器具有輸出訊號大、工作可靠、壽命長、使用環境要求不高、適應性強、結構簡單和緊湊等優點，但這種感測器訊雜比較低．體積較大．而且其輸出波形為交流，一般需經整流、濾波後方可使用，因而極大地限制了其在普通情況下的應用。
(2)磁敏式位置感測器。磁敏感測器利用電流的磁效應進行工作，所組成的位置檢測器由與電機同軸安裝、具有與電機轉子同極數的永磁檢測轉子和多隻空問均勻分布的磁敏元件構成。目前常用的磁敏元件為霍爾元件或霍爾積體電路，它們在磁場作用下會產生霍爾電資訊。
勢，經整形、放大後即可輸出所需電平訊號，構成了原始的位置訊號。圖5-22為霍爾積體電路及其開關型輸出特性。
為了獲得三組互差120°電角度、寬180度電角度的方波原始位置訊號。需要3只在空間互差機械角度分布霍爾元件，其中戶為電機極對數。圖5-23給出了一台四極電動機的霍爾位置檢測器完整結構，3個霍爾元件hl、h2、h3在空間互差60°機械角度分布。
當永磁檢測轉子依次經過霍爾元件時。根據極性的不同，產生出三相互差120°電角度、寬180°電角度的方波位置訊號，它正好反映了同軸安裝的電動機轉子磁極的空間位置經整形電路和邏輯電路後，輸出6路功率電子開關的觸發信和邏輯電路號。霍爾位置檢測器是永磁無刷直流電動機中採用較多的一種。
(3)光電式位置感測器和光電式位置感測元件的結構。這是一種利用與電動機轉子同軸安裝、帶缺口旋轉圓盤對光電元件進行通、斷控制．以產生一系列反映轉子空間位置脈衝訊號的檢測方式。由於三相永磁元刷直流電動機一般每l／6週期換相一次，因此只要採用與電磁式或霍爾式位置檢測相似的簡單檢測方法即可，不必採用光電編碼盤的複雜方式。
簡單光電元件的結構如圖5一24所示．由紅外發光二極體和光敏三極體構成。當元件凹槽內光芒被圓盤擋住時，光敏三極體不導通：當凹槽內光線
由圓盤缺口放過時，光敏三極體導通．以此輸出開關型的位置訊號。圓盤缺口弧度及光電元件空間布置規律和開口變壓器式位置檢測器相同。
除了以上3種位置感測器外，還有正、余弦旋轉變壓器和光電編碼器等其他位置感測元件，但成本高、體積大、線路複雜，較少採用。由於位置檢測器有機械安裝、維護及執行可靠性等問題．因此近期來出現了元位置檢測器。
元位置感測器檢測技術的成功運用解決了位置感測器安裝難的問題，而且減小了體積，提高了可靠性，受到了海內外的普遍關注。目前較為常用的方法有：反電動勢檢測法、續流二極體工作方式檢測法、定子三次諧波檢測法和瞬時電壓方程法等。
必須注重：通過各種方法所得到的位置訊號一般不能直接用來控制功率管的通斷．往往需要經過一定的邏輯處理後才能作用於邏輯控制單元。
3．電子換向電路
無刷直流電動機的電子換相線路是用來控制電動機定子繞組通電的順序和導通的時間。主要由功率開關管和邏輯控制電路組成．功率開關單元是核心部分．其功能是將電源的功率以一定的邏輯關係分配給無刷直流電動機定子e的各項繞組，從而使電動機產生持續不斷的轉矩。控制部分是將通過位置檢測得到的訊號．根據需要轉化成相應的脈衝訊號去驅動功率開關管。
目前，無刷直流電動機的主開關一般採用igbt或m0sfet等全控型器件，有些主電路已經有了集成功率模組(pic)和智慧型功率模組(ipm)，它們的應用可以使整個系統的呵靠性大幅度提高。
(=)無刷直流電動機的型別
近年來出現的元刷直流電動機，用電晶體開關電路和位置感測器代替電刷和換向器。無刷直流電動機的型別按電晶體開關電路的不同可分為橋式和非橋式兩種；按所使用的位置感測器形式的不同可分為光電式、電磁式、磁敏元件式和接近開關式等。
三、無刷直流電動機的基本工作原理
在實際應用中，永磁無刷直流電動機多採用三相橋式功率主電路形式，但為了便於說明，先從三相半橋式主電路開始分析其執行原理。
1.三相半橋主電路
圖5-25為三相半橋式永磁無刷直流電機（p=1）三隻光電式位置感測元件h1 h2 h3 空間互差120°均勻分布，寬180°缺口遮光圓盤與電動機轉子同軸安裝，調整圓盤缺口與轉子磁極的相對位置，使缺口邊沿能反映轉子磁極的空間位置。
該缺口位置使光電元件h1受光而輸出高電平，觸發導通功率開關vtl使直流電流流入a相繞組ax，形成位於a相繞組軸線上的電樞磁勢。此時圓盤缺口與轉子磁極的相對位置被調整得使轉子永相繞組平面磁勢ff位於b相繞組b-x平面上所示，如圖5—26(a)所示兩者相互作用產生驅動轉矩，驅使轉子順時針旋轉。當轉子磁極轉至圖5 26(b)所示的位置時，如仍保持a相繞組通電，則電樞磁勢ff的空間角度講減為30°並繼承減小，最終造成驅動轉矩消失。
然而由於同軸安裝的旋轉圓盤同步旋轉，此時正好使光電元件h2受光，h1遮光，從而功率開關vt2導通，電流從a相繞組斷開轉而流人b相繞組b-y，電流換相，電樞磁勢變為fb它又在旋轉方向上重新領先永磁磁勢ff150°相，兩者相互作用產生驅動轉矩，驅使轉子順時針繼續旋轉。當轉子磁極旋轉到圖5—26(c)所示的位置時，同理又發生電樞電流從b相向c相的換流，保證了電磁轉矩的持續產生和電動機的繼續旋轉，直至重新回到圖5—26(d)或圖5-26(a)的起始位置。
可以看出，由於同軸安裝轉子位置檢測圓盤的作用，定子各相繞組在位置檢測器的控制下依次饋電，其相電流為120°寬的矩形波，如圖5—27所示。這樣的三相電流使得定子繞組產生的電樞磁場和轉動中的轉子永磁磁場在空間始終能保持近似垂直的關係，為最大限度地產生轉矩創造了條件。同時也可以看出．經歷換相過程的定子繞組電樞磁場不是勻
速旋轉磁場而是跳躍式的步進磁場，轉子旋轉一周的範圍內有3種磁狀態，每種狀態持續1／3週期(120。電角度)．如圖5 26中fa、fb、fc所示。可以想象，由此產生的電磁轉矩存在很大的脈動．尤其低速執行時會使轉速波動。
為了解決這個問題，只有增加轉子一周內的磁狀態數，此時應採用三相橋式主電路結構。
2．三相橋式主電路
三相橋式主電路如圖5一28所示，功率電子開關為標準三相橋式結構，上橋臂元件vtl、 vt3、vt5給各相繞組提供正向電流，產生正向電磁轉矩；下橋臂元件vt4、vt6、vt2 給各相繞組提供反向電流，在相同極性轉子永磁磁場作用下將產生反向電磁轉矩。功率元件通電方式有兩兩通(120。導通型)和三三通電(180。
導通型)，其輸出轉矩大小不同。
永磁無刷直流電機通進的是直流
永磁無刷直流電機通進的是直流，但並不是像有刷電機那樣持續通電給轉子，它是通給定子的。有外轉子和內轉子兩種，都是只有定子帶電。而這種電機又分霍爾有感式和無感式兩種，前者有自帶電路通過轉子位置變化而變化磁場，後者則需要專用控制器 電子調速器 所以並不是直觀的用直流直接帶動電機工作的 無刷直流電機由電動機...
無刷直流電機相序測定實用方法
1 引言 無刷直流電機採用電子換向裝置代替了傳統直流電機的機械換向裝置，又具有與直流電機類似的機械特性，其磁鋼置於轉子上，通過不斷地變換定子繞組通電方式產生旋轉磁場驅動轉子轉動。由於轉子採用了永磁體結構，無刷直流電機具有體積小 重量輕 結構簡單的特點。隨著電力電子技術的發展，無刷直流電機的應用越來越...
無刷直流電機控制器接線圖
我們介紹一些典型電動自行車控制器接線圖，通過這些接線圖可以了解電動自行車電機驅動 控制系統的構成。1.以zkc3615ka型控制器為核心構成的有刷電機驅動 控制系統接線圖 由zkc3615ka型控制器 電機 轉把 閘把 助力感測器構成的有刷電機驅動 控制系統如圖8 4所示。2.以598系列智慧型有刷...