无刷直流电动机

第10章无刷直流电动机第10章无刷直流电动机10.1概述10.2无刷直流电动机的基本结构10.3无刷直流电动机工作原理10.4无刷直流电动机的运行特性10.5无刷直流电动机的电枢反应10.6改变无刷直流电动机转向的方法思考题与习题第10章无刷直流电动机10.1概述直流电动机主要优点是调速和启动特性好，堵转转矩大，因而被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰，缩短电机寿命，换向器电刷装置又使直流电机结构复杂、噪音大、维护困难，因此长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。第10章无刷直流电动机直流电动机优点：调速和启动特性好、堵转转矩大，广泛应用于驱动装置和伺服系统缺点：一般具有电刷和换向器结构，电刷和换向器之间的滑动机械接触严重影响电机精度、性能和可靠性，其摩擦引起的火花造成无线干扰，缩短电机寿命，同时电刷及换向器也使得电机结构复杂、噪音大、维护困难契机：鉴于直流电机上述缺点，急需寻求一种不用电刷和换向器的直流电机，而电子技术的迅速发展，大功率电子元件的广泛应用使之成为可能；无刷直流电机正是用电子开关线路和位置传感器来取代电刷和换向器，使之具有直流电机的特性，同时又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，同时转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，转速可达每分钟几十万转。结构：电子开关线路+电动机+位置传感器电动机结构：转子是由永磁材料制作的具有一定极对数的永磁体，但不带鼠笼绕组和其他启动装置；结构形式分为凸极式、内嵌式或隐极式；定子就是电机电枢，内有一定极对数的绕组电路。在BLDC电机中，力矩正比于电流，速度正比于电压，反电势正比于电机转速，因此其控制特性与机械特性均与直流电机基本相同。电角度和机械角度：电角度指磁场旋转角度，机械角度指转子旋转角度第10章无刷直流电动机随着电子技术的迅速发展，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电机既具有直流电动机的特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点；它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行。第10章无刷直流电动机因此，无刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快的发展。第10章无刷直流电动机无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成，它的原理框图如图10-1所示。图中直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。第10章无刷直流电动机图10-1无刷直流电动机的原理框图第10章无刷直流电动机10.2无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机的基本结构如图10-2所示。图中电动机结构与永磁式同步电动机相似，转子是由永磁材料制成一定极对数的永磁体，但不带鼠笼绕组或其它启动装置，主要有两种结构型式，如图10-3(a)和(b)所示。第一种结构是转子铁心外表面粘贴瓦片形磁钢，称为凸极式；第二种结构是磁钢插入转子铁心的沟槽中，称为内嵌式或隐极式。第10章无刷直流电动机初期永磁材料多采用铁氧体或铝镍钴，现在已逐步采用高性能钐钴或钕铁硼。定子是电动机的电枢。定子铁心中安放着对称的多相绕组，可接成星形或封闭形(角形)，各相绕组分别与电子开关线路中的相应晶体管相连接。电子开关线路有桥式和非桥式两种。图10-4表示常用的几种电枢绕组连接方式，其中图(a)、(b)是非桥式开关电路，其它是桥式开关电路。第10章无刷直流电动机图10-2无刷直流电动机的基本结构第10章无刷直流电动机图10-3永磁转子结构型式第10章无刷直流电动机图10-4电枢绕组连接方式第10章无刷直流电动机10.2.1电磁式这种传感器的结构如图10-5所示。它由定子和转子两部分组成。定子磁心及转子上的扇形部分均由高频导磁材料(如软磁铁氧体)制成，导磁扇形片数等于电机极对数，放置在不导磁的铝合金圆盘上制成了转子。传感器定子由磁心和线圈组成，磁心的结构特点是中间为圆柱体，安放励磁绕组，外施高频电源励磁。圆周上沿轴向有凸出的极，极上套着信号线圈产生信号电压。可以看出，这实际上是一个有共同励磁线圈的几个开口变压器，扇形导磁片的作用是使开口变压器铁心接近闭合，减少磁阻，使信号线圈感应出较大。第10章无刷直流电动机图10-5(a)结构原理图；(b)剖面图第10章无刷直流电动机10.2.2光电式光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成，如图10-6所示。遮光盘上按要求开出光槽(孔)，几个光电耦合开关沿着圆周均布，每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管(或激光器)和光电管(光电二极管，三极管或光电池)所组成。红外发光二极管(或激光器)通上电后，发出红外光(或激光)；当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过光槽(孔)，使对着的光电管导通，相应地产生反应转子相对定子位置的电信号，经放大后去控制功率晶体管，使相应的定子绕组切换电流。光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱，需要经过放大才能去控制功率晶体管。但它输出的是直流电信号，不必再进行整流，这是它的一个优点。第10章无刷直流电动机图10-6光电式位置传感器第10章无刷直流电动机图10-7霍尔无刷直流电动机原理图第10章无刷直流电动机10.2.3霍尔元件采用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机通常称为“霍尔无刷直流电动机”。由于无刷直流电动机的转子是永磁的，就可以很方便地利用霍尔元件的“霍尔效应”检测转子的位置。图10-7表示四相霍尔无刷直流电动机原理图。图中两个霍尔元件H1和H2以间隔90°电角度粘于电机定子绕组A和B的轴线上，并通上控制电流，电机转子磁钢兼作位置传感器的转子。第10章无刷直流电动机当电机转子旋转时磁钢N极和S极轮流通过霍尔元件H1和H2，因而产生对应转子位置的两个正的和两个负的霍尔电势，经放大后去控制功率晶体管导通，使四个定子绕组轮流切换电流。霍尔无刷直流电动机结构简单，体积小，但安置和定位不便，元件片薄易碎，对环境及工作温度有一定要求，耐震差。第10章无刷直流电动机10.3无刷直流电动机工作原理10.3.1三相非桥式星形接法图10-8表示一台采用非桥式晶体管开关电路驱动两极星形三相绕组，并带有电磁式位置传感器的无刷直流电动机。转子位置传感器的励磁线圈由高频振荡器供电，通过导磁片的作用使信号线圈获得较大的感应电压，并经整流、放大加到开关电路功率管的基极上使该管导通，因而与该管串联的定子绕组也就与外电源接通。第10章无刷直流电动机由于导磁片与电动机转子同轴旋转，所以信号线圈Wa、Wb、Wc依次得电，3个功率管依次导通，使定子三相绕组轮流通电。第10章无刷直流电动机图10-8无刷直流电动机工作原理第10章无刷直流电动机当电机转子处于图10-8瞬时，位置传感器PS的扇形导磁片位于图示位置处，它的信号线圈Wa开始与励磁线圈相耦合，便有信号电压输出，其余两个信号线圈Wb、Wc的信号电压为0。线圈Wa供出的信号电压使晶体管V1开始导通，而晶体管V2、V3截止。这样，电枢绕组AX有电流通过，电枢磁场Ba的方向如图中所示。电枢磁场与永磁转子磁场相互作用就产生转矩，使转子按顺时针方向旋转。第10章无刷直流电动机当电机转子在空间转过2π/3电角度时，位置传感器的扇形片也转过同样角度，从而使信号线圈Wb开始有信号电压输出，Wa、Wc的信号电压为0。Wb输出的信号电压便使晶体管V2开始导通，晶体管V1、V3截止。这样，电枢绕组BY有电流通过，电枢磁场Ba的方向如图10-9(a)所示。电枢磁场Ba与永磁转子磁场相互作用所产生的转矩，使转子继续沿顺时针方向旋转。第10章无刷直流电动机图10-9电枢磁场与转子磁场间的相对位置第10章无刷直流电动机当转子在空间转过4π/3电角度后，位置传感器使晶体管V3开始导通，V1、V2截止，相应电枢绕组CZ有电流通过。电枢磁场Ba的方向如图10-9(b)所示，它与转子磁场相互作用仍使转子按顺时针方向旋转。若转子继续转过2π/3电角度，回到原来的起始位置(如图10-9(c))，通过位置传感器将重复上述的换流情况，如此循环下去，无刷直流电动机在电枢磁场与永磁转子磁场的相互作用下，能产生转矩并使电机转子按一定的转向旋转。第10章无刷直流电动机若转子继续转过2π/3电角度，回到原来的起始位置(如图10-9(c))，通过位置传感器将重复上述的换流情况，如此循环下去，无刷直流电动机在电枢磁场与永磁转子磁场的相互作用下，能产生转矩并使电机转子按一定的转向旋转。可以看出，在三相星形非桥式的无刷直流电动机中，当转子转过2π电角度时，定子电枢绕组共有3个通电状态；第10章无刷直流电动机每一状态仅有一相导通，定子电流所产生的电枢磁场在空间跳跃着转动，相应地在空间也有3个不同的位置，称为三个磁状态；每一状态持续2π/3电角度，这种通电方式称为一相导通星形三相三状态。每一晶体管导通时转子所转过的空间电角度称为导通角αc。显然，转子位置传感器的导磁扇形片张角αp至少应该等于导通角αc。通常为了保证前后两个导通状态之间不出现间断，就需要有个短暂的重叠时间，必须使αp略大于αc。电枢磁场在空间保持某一状态时转子所转过的空间电角度，即定子上前后出现的两个不同磁场轴线间所夹的电角度称为磁状态角，或称状态角，用αm来表示。第10章无刷直流电动机三相星形非桥式无刷直流电动机各相绕组与各晶体管导通顺序的关系如表10-1所示。可以看出，由于一个磁状态对应一相导通，所以角αc和αm都等于2π/3。当电机是p对极时，位置传感器转子沿圆周应有p个均布的导磁扇形片，每个扇形片张角αp≥2π/(3p)。第10章无刷直流电动机表10-1星形三相三状态导通顺序表第10章无刷直流电动机10.3.2三相星形桥式接法若定子绕组仍为三相，而功率晶体管接成桥式开关电路如图10-10所示，相应的位置传感器原理图如图10-11所示。三相电枢绕组与各晶体管导通顺序的关系如表10-2所示。可以看出，电机应有6个通电状态，每一状态都是两相同时导通，每个晶体管导通角仍为αc=2π/3，位置传感器扇形片张角αp≥2π/(3p)。第10章无刷直流电动机图10-10三相星形桥式开关电路第10章无刷直流电动机电枢合成磁场是由通电的两相磁场所合成。若每相磁密在空间是正弦分布，用向量合成法可得合成磁密Ba的幅值等于每相磁密幅值的倍，它在空间也相应有6个不同位置，磁状态角αm=π/3。三相星形桥式电路的通电方式称为两相导通星形三相六状态。3第10章无刷直流电动机图10-11三相桥式电路的位置传感器第10章无刷直流电动机表10-2两相导通星形三相六状态导通顺序表第10章无刷直流电动机10.3.3三相封闭形桥式接法封闭式定子绕组只能与桥式晶体管开关电路相组合。图10-12表示三相封闭形(三角形)桥式接法的原理线路图。三相电枢绕组与各晶体管导通顺序的关系如表10-3所示，可以看出，它与星形接法的区别在于任何磁状态中电枢绕组全部通电，总是某两相绕组串联后再与另一相绕组并联。在各状态中仅是各相通电顺序与电流流过的方向不同。第10章无刷直流电动机电枢合成磁场是由通电的三相磁场所合成。图10-13表示B相绕组与C相绕组串联再与A相绕组并联，电流由B相流向C相(符号为A∥BC)时的磁密向量图。可见，定子合成磁密Ba的幅值等于每相磁密幅值的1.5倍。三相封闭形桥式接法也有6个通电状态，磁状态角αm=π/3，导通角αc=2π/3，位置传感器导磁扇形片张角αp≥2π/(3p)。这些都与三相星形桥式接法相同。三相封闭形桥式