無刷電機的結(jié)構及轉(zhuǎn)動原理

在第 3 部分中，我們將解釋無刷電機在結(jié)構和旋轉(zhuǎn)原理上的差異，并將它們與有刷直流電機和交流電機進行比較。

無刷電機結(jié)構及轉(zhuǎn)動原理

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

2.2.1 無刷電機結(jié)構

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

2.2.2. 無刷電機轉(zhuǎn)動原理

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

對于轉(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°，它們檢測轉(zhuǎn)子磁鐵的北極并輸出信號。

對于定子，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°。

對于定子的每個相繞組，當電流從驅(qū)動電路流向電機時，在定子的內(nèi)徑側(cè)產(chǎn)生南極。當電流以相反方向流動時，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 相時的狀態(tài)。

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

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

2.在區(qū)間(b)中，超過60°，只有磁極傳感器Ha檢測到北極并輸出信號。在這種情況下，如果晶體管Tru+和Trw-導通，則電流從定子中的U相線圈流向W相線圈。U 相保持勵磁，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。這導致轉(zhuǎn)子順時針旋轉(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。對于電機旋轉(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。

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)電動機的旋轉(zhuǎn)方向。

例如，如果僅磁極傳感器Ha檢測到N極并在上述間隔(b)輸出信號時晶體管Trv+和Tru-導通，則電流從V相線圈流向U相線圈定子。此時U相在轉(zhuǎn)子磁鐵中被勵磁為北極，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。這導致轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。

總之，無刷電機通過根據(jù)磁極傳感器輸出信號引導電流流過相線圈來旋轉(zhuǎn)。傳感器輸出信號的檢測以及晶體管的自動切換由“驅(qū)動電路”處理，有時也稱為“驅(qū)動器”或“驅(qū)動器”。

提示：無刷電機電流

直流電施加于無刷電機的驅(qū)動電路，但交流電流過電機。為此，無刷電機有時也被稱為交流同步電機。

2.2.3 無刷電機特性

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

如果速度減慢，則電機產(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，電機的永磁體磁力可能會降低(退磁)，繞組可能會過熱而燒毀。此外，驅(qū)動電路上的輸出元件和轉(zhuǎn)換器必須能夠處理大電流，這導致驅(qū)動電路體積大且價格昂貴。

如果轉(zhuǎn)速增加，電機產(chǎn)生的扭矩減少，驅(qū)動所需的負載扭矩減少，不適合使用。以更高的速度運行它會增加齒輪箱與電機結(jié)合發(fā)出的噪音，并且還會導致齒輪箱潤滑不足，從而影響使用壽命。

由于上述原因，對于無刷電機，驅(qū)動電路限制了流過電機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

永磁體是通過對磁性材料施加強磁場來磁化的。相反，使過大的電流流過電機會導致定子產(chǎn)生反磁場，從而降低轉(zhuǎn)子磁體的磁力。這稱為退磁。

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

2.2.4 無刷電機特點

無刷電機的特點如下所示。

與直流電機相比

速度-轉(zhuǎn)矩特性具有與有刷直流電機相同的斜率特性，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、更換電刷或進行其他定期維護，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)生開關噪聲。

不會產(chǎn)生機械噪音(刷子)。

運行需要磁極傳感器和驅(qū)動器。

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

因為有反饋控制，所以可以在操作過程中檢測到異常行為。

與變頻控制電機和交流調(diào)速電機相比

由于扭矩從低速到高速是平坦的，因此速比對于所有實際用途來說都很大。

如果在相同輸出功率下進行比較，無刷電機體積更小，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電機轉(zhuǎn)速并進行反饋控制，因此速度精度高。

因為有反饋控制，所以可以在運行過程中檢測到異常行為。0

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

審核編輯：湯梓紅