無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理

  三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)（簡稱無刷直流電動(dòng)機(jī)）和有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，由于去除了滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。有專家認(rèn)為無刷直流電動(dòng)機(jī)將作為信息時(shí)代的主要執(zhí)行部件在各行各業(yè)得到最廣泛的應(yīng)用。

  三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和一般的永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，在結(jié)構(gòu)上有很多相近之處：

用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極； 

用具有三相繞組的定子取代轉(zhuǎn)子電樞；  

用逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器組成電子換向器，取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向器和電刷。

1.  結(jié)構(gòu)

·由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器及換相電路組成

·定子采用疊片結(jié)構(gòu)并在槽內(nèi)鋪設(shè)繞組的方式

·定子繞組多采用三相并以星形方式連接

·將永磁體貼裝在非導(dǎo)磁材料表面或鑲嵌在其內(nèi)構(gòu)成；

·大部分BLDC采用表面安裝方式；

·多為2到3對(duì)極的；

·磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料，如銣鐵硼等。

·結(jié)構(gòu)上BLDC與PMSM有些相似，但有兩點(diǎn)不同：BLDC的轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙磁場。而PMSM的氣隙磁場是正弦波的。BLDC的定子繞組結(jié)構(gòu)使之產(chǎn)生的反電勢是梯形波的。而PMSM繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生正弦型的反電勢。

2.  工作原理

1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

假定電機(jī)定子為3相6極，星型連接。轉(zhuǎn)子為一對(duì)極。

·電流方向不同時(shí)，產(chǎn)生的磁場方向不同。

·若繞組的繞線方向一致，當(dāng)電流從A相繞組流進(jìn)，從B相繞組流出時(shí)，電流在兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢方向是不同的。

·三相繞組通電遵循如下規(guī)則：每步三個(gè)繞組中一個(gè)繞組流入電流，一個(gè)繞組流出電流，一個(gè)繞組不導(dǎo)通；

·通電順序如下：

  1.A+B-    2.C+B-   3.C+A-     4.B+A-   5.B+C-    6.A+C-

·1.A+B-    2.C+B-   3.C+A-     4.B+A-   5.B+C-    6.A+C-

·每步磁場旋轉(zhuǎn)60度，每6步旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)一周；

·每步僅一個(gè)繞組被換相。

·隨著磁場的旋轉(zhuǎn)，吸引轉(zhuǎn)子磁極隨之旋轉(zhuǎn)。

·磁場順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)：1→2→3→4→5→6

·磁場逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)：6→5→4→3→2→1

·1.A+B-    2.C+B-   3.C+A-     4.B+A-   5.B+C-    6.A+C-

2）如何實(shí)現(xiàn)換相

·1.A+B-    2.C+B-   3.C+A-     4.B+A-   5.B+C-    6.A+C-

·必須換相才能實(shí)現(xiàn)磁場的旋轉(zhuǎn)，如果根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置換相，并在換相時(shí)滿足定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直的條件，就能取得最大轉(zhuǎn)矩。

·要想根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置換相，換相時(shí)就必須知道轉(zhuǎn)子的位置，但并不需要連續(xù)的位置信息，只要知道換相點(diǎn)的位置即可。

·在BLDC中，一般采用3個(gè)開關(guān)型霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)子的位置。由其輸出的3位二進(jìn)制編碼去控制逆變器中6個(gè)功率管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相。

  霍爾位置傳感器和電動(dòng)機(jī)本體一樣，也是由靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子。傳感器轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電動(dòng)機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置；若干個(gè)霍爾元件，按一定的間隔，等距離地安裝在傳感器定子上，以檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。

  如果轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)為1，位置傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)磁極(N、S極)的轉(zhuǎn)角，也就是說每轉(zhuǎn)過360o電角度，就要產(chǎn)生出與電動(dòng)機(jī)繞組邏輯分配狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動(dòng)機(jī)的一個(gè)換流全過程。

  如果轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)越多，則在360o機(jī)械角度內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。

霍爾位置傳感器必須滿足以下兩個(gè)條件：

 1）位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個(gè)開關(guān)狀態(tài)所占的電角度應(yīng)相等。

 2）位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)相對(duì)應(yīng)。

  對(duì)于三相無刷直流電動(dòng)機(jī)，其位置傳感器的霍爾元件的數(shù)量是3，安裝位置間隔120o電角度，其輸出信號(hào)是HA、HB、HC，波形見圖4。

例：假定定子繞組為3相，轉(zhuǎn)子為2對(duì)極，3個(gè)霍爾傳感器間隔 60度按圓周分布，由6只晶體管組成的橋式電路給電機(jī)供電，分析其換相過程。

1.A+C-  2.A+B-   3.C+ B-  4.C+A-     5.B+A-  6. B+C-  

1.A+B- 2.A+C- 3.B+C-4. B+A- 5.C+A-  6 .C+B-

·每相繞組中電流是正負(fù)交替的  

·由逆變器提供與電動(dòng)勢嚴(yán)格同相的方波電流

·直流有刷電機(jī)繞組中的電流實(shí)際上也是正負(fù)交替的 ，只是從電刷外部看電流是單方向的。

·直流有刷電機(jī)通過換向機(jī)構(gòu)換向，直流無刷電機(jī)通過霍爾開關(guān)及逆變器換相。

·圖4表明，三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)Ha、Hb、Hc在每360°電角度內(nèi)給出了6個(gè)代碼，按其順序排列，6個(gè)代碼是101、100、110、010、011、001。當(dāng)然，這一順序與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反了，代碼出現(xiàn)的順序也將倒過來。

·圖5是三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換向器主回路，也就是由6只功率開關(guān)元件組成的三相H形橋式逆變電路。

   圖6是三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。其中虛線A-X表示與A相繞組軸線相正交的位置；虛線B-Y表示與B相繞組軸線相正交的位置；虛線C-Z表示與C相繞組軸線相正交的位置；顯然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6個(gè)60o的扇區(qū)，我們也把圖6稱作“定子空間的扇區(qū)圖”。

可以通過兩種不同的途徑來分析無刷電動(dòng)機(jī)的換相過程：

第一條途徑是：利用“定子空間的扇區(qū)圖”來分析換相過程（6個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)6個(gè)代碼）；

第二條途徑是：通過分析電動(dòng)機(jī)的三相反電動(dòng)勢來理解換相過程。

   運(yùn)用“定子空間扇區(qū)圖”可以分析三相無刷直流電動(dòng)機(jī)在360o電角度內(nèi)的換相過程，從分析可以看出，定子的磁場是步進(jìn)地、跨越地前進(jìn)的，每步跨越60o電角度，而轉(zhuǎn)子當(dāng)然是連續(xù)地運(yùn)行的。

 從分析三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的三相反電勢的角度，同樣也可以理解其換相過程。基本思路是這樣的：為了獲得最大的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)當(dāng)使每相的反電勢與該相的電流的相位相同。

 無論是從“定子空間扇區(qū)圖”還是從電動(dòng)機(jī)定子繞組的反電勢來分析三相無刷電動(dòng)機(jī)的換相過程，所得出的開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系都是相同的。

前面分析的是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的情況，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的情況也是類似的。