一種永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的研制
戴白刃
(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164)
摘要：研制的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)其結(jié)構(gòu)及工作原理獨(dú)特，控制電路與電機(jī)集于一體，控制方法靈活簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速、過流、過壓、過熱保護(hù)等功能，具有高效、安全、可靠等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī)；結(jié)構(gòu)；單片機(jī)；控制電路；控制軟件
中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)05—0014—02
1無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)
我們研制的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖l所示。它是一種外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)，在其外轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌入三對(duì)(六個(gè))徑向瓦形磁極。N極、s極間隔分布，對(duì)應(yīng)的定子電樞鐵心也設(shè)計(jì)為六齒，并且齒的外形被設(shè)計(jì)成不對(duì)稱的特殊形狀。
六個(gè)電樞繞組串聯(lián)在一起(事實(shí)上由一根導(dǎo)線繞制而成)，但相鄰兩個(gè)繞組的線圈繞制方向是不同的。即一個(gè)繞組的線圈按順時(shí)針方向繞制，接下來一個(gè)繞組的線圈就按逆時(shí)針方向繞制，再接下來一個(gè)繞組的線圈又按順時(shí)針方向繞制，即三個(gè)間隔的繞組線圈繞制的方向一致。
在鐵心某一齒的邊緣的適當(dāng)位置安裝一個(gè)磁感應(yīng)位置傳感器，以確定該傳感器位置對(duì)應(yīng)的徑向方向是N極還是s極磁場(chǎng)。
電機(jī)控制部分被設(shè)計(jì)安裝在電機(jī)內(nèi)部，與電機(jī)形成一體。只要外加直流電源，電機(jī)就可以運(yùn)行。電機(jī)外觀簡(jiǎn)潔，使用方便。
2工作原理
按照無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁鋼在氣隙中形成磁場(chǎng)，并且由于定子鐵心齒的外形為不對(duì)稱的特殊形狀，因此電機(jī)在不加電流時(shí)，外轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止，外轉(zhuǎn)子的磁極軸線與定子鐵心齒的軸線不重合，形成一個(gè)固定的夾角α，霍爾傳感器對(duì)應(yīng)的徑向方向不是N極就是s極磁場(chǎng)，也使得鐵心齒上的繞組兩邊，一邊完全處在外轉(zhuǎn)子某一磁極下，另一邊則處在相反磁極下。另外，相對(duì)于電機(jī)外轉(zhuǎn)子和定子上的霍爾傳感器的位置而言，只有六個(gè)靜止點(diǎn)(三點(diǎn)對(duì)應(yīng)N極磁場(chǎng)，三點(diǎn)對(duì)應(yīng)s極磁場(chǎng))，且每點(diǎn)相距60。。
根據(jù)霍爾傳感器的位置，控制器給電樞繞組加某一方向的電流，將產(chǎn)生一個(gè)作用于該導(dǎo)體的電磁力(由于同一電樞繞組的兩邊是在不同的磁場(chǎng)中，且電流方向不同，因此受到電磁力的方向是一致的)，由于繞組線圈在定子上，故外轉(zhuǎn)子受到了一個(gè)反作用力，即電磁力對(duì)外轉(zhuǎn)子中心軸形成一個(gè)力矩，迫使外轉(zhuǎn)子圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)。當(dāng)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一定的角度，在齒軸線和下一個(gè)磁極軸線重合以前，切斷電樞繞組中的電流，使外轉(zhuǎn)子受慣性及轉(zhuǎn)子本身磁場(chǎng)的作用繼續(xù)朝同一方向(也就是下一靜止點(diǎn)方向)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到靜止點(diǎn)時(shí)，霍爾信號(hào)發(fā)生變化，控制器再立即給電樞繞組加另一方向的電流，此時(shí)對(duì)應(yīng)的外轉(zhuǎn)子磁極也發(fā)生了變化，使外轉(zhuǎn)子繼續(xù)圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)。
此外，為了控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只要控制流過電樞電流的大小和時(shí)間即可。
3特點(diǎn)
根據(jù)這種電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，我們可以得出:
(1)電機(jī)工作時(shí)，所有電樞繞組始終流過電流，而死區(qū)時(shí)問可調(diào)整到很短，當(dāng)電流5A時(shí)效率達(dá)百分之83。
(2)控制電路簡(jiǎn)單，所用器件少。由于這種電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，只需一只位置傳感器，而功率開關(guān)晶體管也只需兩對(duì)(四只)。而且如果需要，電樞及外轉(zhuǎn)子的磁極可成對(duì)增加，但所需位置傳感器及功率開關(guān)晶體管無需增加。
(3)控制、驅(qū)動(dòng)電路在電機(jī)內(nèi)部，整個(gè)電機(jī)體積并不太大。當(dāng)功率為240 w時(shí)，電機(jī)的尺寸為直徑90 mm，高85 mm。
(4)根據(jù)需要可方便地調(diào)速。
4控制電路
永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制電路由單片機(jī)、功率開關(guān)晶體管、驅(qū)動(dòng)電路及傳感器等組成，主要實(shí)現(xiàn)了換向與調(diào)速兩個(gè)功能。圖2是控制電路的主要邏輯圖。P1、P2分別連接電樞。
4.1換向
為了使電樞繞組中的電流按一定的邏輯不斷改變電流方向，單片機(jī)首先依據(jù)霍爾傳感器的信號(hào)控制打開某對(duì)功率晶體管。假如，先打開功率晶體管Q1及功率晶體管Q2，使電流從P1流人P2流出，當(dāng)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一定的角度時(shí)，單片機(jī)控制電路關(guān)斷Ql及Q2，使電樞中瞬 |
