無刷直流永磁電動機工作原理

ID:128229 · 發(fā)表于 2016-6-29 22:58

二相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流永磁電動機工作原理

Brushless Direct Current Permanent

Magnet Motor Principle

直流電動機運行效率高、調(diào)速性能好，直流永磁電動機又有節(jié)能的優(yōu)點，但電機中的電刷換向器存在火花、無線電干擾、噪聲，因磨損而壽命短，使直流電動機的應用受到很大限制。近年來功率電子器件的迅速發(fā)展使得采用電子開關代替換向器成為現(xiàn)實，無刷直流永磁電動機才得以迅速發(fā)展。

有電刷直流永磁電動機工作原理還是基于通電導體在磁場中受力的原理，而無刷直流永磁電動機的工作原理則不同，是靠定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場間的作用力拉動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的。定子的基本結(jié)構(gòu)類似交流三相電機，三個線圈繞組由電子開關元件按規(guī)律接通直流電源形成旋轉(zhuǎn)磁場，從而拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

ABC三組線圈的連接方式也與交流電機的三相線圈一樣，有星形接法與三角形接法，圖1下左是星形接法，圖1下右是三角形接法。

圖1 星形接法與三角形接法

星形接法在無刷直流永磁電動機應用較多，圖2是星形接法線圈與電子換向器的連接圖，由換向器中六個開關晶體管BG1至BG6組成的橋式電路切換通過ABC三個線圈的電流。例如BG1與BG5導通時電流從A線圈流進B線圈流出；如果BG2與BG4與BG6導通時電流從B線圈流進從A線圈與C線圈并聯(lián)流出。每個開關晶體管旁并聯(lián)有續(xù)流二極管為開關晶體管關斷時提供續(xù)流通路。

圖2 電子換向器電路示意圖

我們通過一個實際的結(jié)構(gòu)模型來展示三個線圈電流的切換順序，這是一個典型結(jié)構(gòu)，模型由六槽結(jié)構(gòu)的定子與兩極永磁轉(zhuǎn)子組成，圖3是六槽定子示意圖，定子內(nèi)圓周有六個嵌線槽。

圖3 六槽定子鐵芯

在嵌線槽內(nèi)嵌有ABC三個線圈，三個線圈按星形連接，圖4是嵌有線圈的定子示意圖。

圖4 三個線圈嵌線圖

轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成，可在定子內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，見圖5。

圖5 定子與永磁轉(zhuǎn)子

用該模型的正視圖來表演線圈磁場的切換與轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)動的過程，在圖中用兩根平行的箭頭來表示線圈產(chǎn)生磁場的方向，以此圖作動畫，見圖6。

圖6 定子線圈與轉(zhuǎn)子磁場

根據(jù)圖2的星形接法線圈與電子換向器的連接圖與下面動畫的截圖來說明開關晶體管是如何控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，圖中標注的“紅色A+、B+、C+”表示相應線圈與電源正極接通，“藍色A-、B-、C-”表示相應線圈與電源負極接通。

當開關管BG1與BG5導通時，電流由A組線圈進B組線圈出，兩個線圈形成的合成磁場方向向上，規(guī)定此時的磁場方向為0度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為0，見圖7左。

當開關管BG1與BG6導通時，電流由A組線圈進C組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到60度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到60度，見圖7右。

圖7 無刷直流永磁電動機原理圖-1

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60度時，開關管BG2與BG6導通時，電流由B組線圈進C組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到120度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到120度，見圖8左。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到120度時，開關管BG2與BG4導通時，電流由B組線圈進4組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到180度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到180度，見圖8右。

圖8 無刷直流永磁電動機原理圖-2

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到180度時，開關管BG3與BG4導通時，電流由C組線圈進A組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到240度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到240度，見圖9左。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到240度時，開關管BG3與BG5導通時，電流由C組線圈進B組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到300度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到300度，見圖9右。

圖9 無刷直流永磁電動機原理圖-3

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到300度時，將回到初始狀態(tài)，開關管BG1與BG5導通，電流由A組線圈進B組線圈出，磁場方向轉(zhuǎn)回0度，轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)回0度，完成一周旋轉(zhuǎn)，見圖7左。

如果需要電動機反轉(zhuǎn)，將以上一周的六個開關狀態(tài)順序反過來執(zhí)行即可，當然開始反轉(zhuǎn)的開關狀態(tài)必須與正轉(zhuǎn)結(jié)束時的開關狀態(tài)相銜接，而且要有緩沖時間。

以上控制方式在任何時間都是兩相線圈導通，一周內(nèi)有六種狀態(tài)，故稱之為“二相導通星形三相六狀態(tài)”，是一種常用的控制方式。

在后面我們可通過動畫更直觀的看到轉(zhuǎn)子隨磁場轉(zhuǎn)動的過程。

控制器是如何知道轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到該切換的位置呢，這就靠轉(zhuǎn)子位置檢測裝置，目前主要采用光電器件或霍爾元件進行位置檢測。在此我們介紹一下光電傳感元件，圖10是光電開關元件，左邊是透射式光電開關，右邊是反射式光電開關，都是由發(fā)光二極管與光敏三極管組成，一般封裝在一個模塊里。

在透射式光電開關里，發(fā)光二極管發(fā)出的光線照到光敏三極管使之導通，當有物體在兩者之間隔斷光線時光敏三極管截止，這樣就可以檢測到通過光電開關的物體了。

在反射式光電開關里，發(fā)光二極管發(fā)出的光線經(jīng)物體反射到光敏三極管使之導通，沒有物體在附近時光敏三極管截止，這樣就可以檢測到經(jīng)過光電開關旁的物體了。

圖10 光電開關元件

本模型采用透射式光電開關元件，三個光電開關元件依轉(zhuǎn)軸為軸線按120度排列，在轉(zhuǎn)軸上固定一個半圓形的遮光板，見圖11，當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時遮光板將斷續(xù)切斷光電開關的光線，光電開關便輸出開關信號，光電開關元件與遮光板組成轉(zhuǎn)子位置檢測裝置。準確安裝位置檢測裝置可實現(xiàn)在一周內(nèi)準確發(fā)出六段控制信號，使控制器準確切換各線圈的電流，使電動機順暢的旋轉(zhuǎn)。

圖11 轉(zhuǎn)子位置檢測裝置

近年來流行無位置檢測裝置的無刷直流永磁電動機，可使電機結(jié)構(gòu)更簡單，運行更可靠，一般是通過以下方法來獲取轉(zhuǎn)子的位置信號：利用線圈產(chǎn)生的反電動勢變化來獲取轉(zhuǎn)子的位置信號；通過檢測導通線圈的續(xù)流二極管狀態(tài)來獲取轉(zhuǎn)子的位置信號；還有其他方法。相關內(nèi)容請參閱有關資料。

圖12是六槽無刷直流永磁電動機模型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12 六槽無刷直流永磁電動機模型

二相三相輪流導通星形三相十二狀態(tài)

無刷直流永磁電動機工作原理

6-Pole Brushless Direct Current

Permanent Magnet Motor

在“二相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流永磁電動機工作原理”一節(jié)中介紹了無刷永磁電動機一周六狀態(tài)的工作流程，本節(jié)將介紹另一種結(jié)構(gòu)與另一種工作狀態(tài)的模型。

模型仍然采用星形連接的ABC三組線圈進行勵磁，圖1是星形接法線圈與電子換向器的連接圖，由換向器中六個開關晶體管BG1至BG6組成的橋式電路切換通過ABC三個線圈的電流。例如BG1與BG5導通時電流從A線圈流進B線圈流出；如果BG2與BG4與BG6導通時電流從B線圈流進從A線圈與C線圈并聯(lián)流出。

圖1 電子換向器電路原理圖

新的模型由一個六凸極結(jié)構(gòu)的內(nèi)定子與兩極永磁外轉(zhuǎn)子組成，我們將通過這個模型來展示三個線圈電流的切換順序，圖2是六凸極結(jié)構(gòu)的內(nèi)定子。

圖2 六凸極結(jié)構(gòu)內(nèi)定子

圖3是凸極上繞上勵磁線圈的定子，線圈的繞向見圖5

圖3 六凸極內(nèi)定子勵磁繞組

在定子外周有外轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子有一對永磁體磁極，粘貼在外轉(zhuǎn)子磁軛上，外轉(zhuǎn)子可在定子外周自由旋轉(zhuǎn)，見圖4

圖4 內(nèi)定子與外轉(zhuǎn)子

圖5是該模型的正視圖，用來表演線圈磁場的切換與轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)動的過程，在六個凸極上繞有線圈，由徑向相對的凸極線圈組成一個線圈組，圖中黃色的是A組線圈、綠色的是B組線圈、紅色的是C組線圈，三個線圈組按星形連接，標有ABC三個字母的是三個線圈的輸入端。在外轉(zhuǎn)子磁軛內(nèi)貼有圓弧狀永磁體磁極，藍色的是N極朝軸心、紅色的是S極朝軸心。圖5右邊是內(nèi)定子磁場方向箭頭，在下面的磁場隨開關切換流程圖中將附在內(nèi)定子上旋轉(zhuǎn)，代表定子產(chǎn)生的磁場方向。以此圖作動畫來演示線圈磁場的切換與轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)動的過程。

圖5 內(nèi)定子線圈與磁場示意圖

根據(jù)圖1的星形接法線圈與電子換向器的連接圖與下面動畫的截圖來說明開關晶體管是如何控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，圖中標注的“紅色A+、B+、C+”表示相應線圈與電源正極接通，“藍色A-、B-、C-”表示相應線圈與電源負極接通。

當開關管BG1、BG5、BG6導通時，電流由A組線圈進B組、C組線圈出，形成的磁場方向向下，規(guī)定此時的磁場方向為0度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為0，見圖6左。

當開關管BG1與BG5導通時，電流由A組線圈進B組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到30度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到30度，見圖6中。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到30度時，開關管BG1、BG3、BG5導通時，電流由A組與C組線圈進B組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到60度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到60度，見圖6右。

圖6 定子磁場與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動圖-1

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60度時，開關管BG3、BG5導通時，電流由C組線圈進B組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到90度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到90度，見圖7左。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到90度時，開關管BG3、BG4、BG5導通時，電流由C組線圈進A組與B組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到120度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到120度，見圖7中。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到120度時，開關管BG3、BG4導通時，電流由C組線圈進A組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到150度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到150度，見圖7右。

圖7 定子磁場與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動圖-2

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到150度時，開關管BG2、BG3、BG4導通時，電流由C組與B組線圈進A組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到180度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到180度，見圖8左。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到180度時，開關管BG2、BG4導通時，電流由B組線圈進A組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到210度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到210度，見圖8中。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到210度時，開關管BG2、BG6、BG4導通時，電流由B組線圈進A組與C組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到240度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到240度，見圖8右。

圖8 定子磁場與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動圖-3

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到240度時，開關管BG2、BG6導通時，電流由B組線圈進C組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到270度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到270度，見圖9左。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到270度時，開關管BG1、BG2、BG6導通時，電流由B組與A組線圈進C組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到300度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到300度，見圖9中。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到300度時，開關管BG1、BG6導通時，電流由A組線圈進C組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到330度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到330度，見圖9右。

圖9 定子磁場與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動圖-4

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到330度時，將回到初始狀態(tài)，BG1、BG5、BG6導通，電流由A組線圈進B組、C組線圈出，磁場方向轉(zhuǎn)回0度，轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)回0度，完成一周旋轉(zhuǎn)，見圖6左。

以上控制方式是兩相線圈與三相線圈輪流導通，一周內(nèi)有十二種狀態(tài)，故稱之為“二相三相輪流導通星形三相十二狀態(tài)”。

該模型的轉(zhuǎn)子位置檢測裝置要用4個檢測元件與編碼盤才能提供12種狀態(tài)，具體結(jié)構(gòu)在此就不再介紹了。

外轉(zhuǎn)子無刷直流永磁電動機

Brushless Direct Current Permanent

Magnet Motor Structure

在無刷永磁電動機原理一節(jié)中曾介紹一個具有六凸極的內(nèi)定子與外轉(zhuǎn)子的模型，這里介紹一個與真實電機相近的外轉(zhuǎn)子直流無刷永磁電動機模型，采用有18個凸極的內(nèi)定子，由沖制的硅鋼片疊成，見下圖。

18個凸極的內(nèi)定子鐵芯

為減輕重量節(jié)約材料，定子中心部分是空的，由內(nèi)定子機架與轉(zhuǎn)軸機座固定，見下圖。

18個凸極的內(nèi)定子

在定子凸極上繞有勵磁線圈，用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

有勵磁繞組的凸極內(nèi)定子

在定子機架上還安裝有4個反射式光電開關元件（見下圖），與轉(zhuǎn)子外殼內(nèi)安裝的編碼盤一同組成轉(zhuǎn)子位置檢測裝置。

內(nèi)定子上的光電開關元件

外轉(zhuǎn)子由六片圓弧片狀永磁體磁極組成，磁極采用強永磁材料制成，磁場方向為徑向，相鄰磁極磁場方向相反，三個磁極N極向內(nèi)，三個磁極S極向內(nèi)。磁極粘貼在機殼（上端蓋）內(nèi)圓周，機殼又是磁軛，提供轉(zhuǎn)子磁路。在外轉(zhuǎn)子內(nèi)還安裝有編碼盤與定子上的反射式光電開關元件一同組成轉(zhuǎn)子位置檢測裝置。下面是外轉(zhuǎn)子的正視圖與側(cè)視圖。