無刷直流電動機
一、概述
直流電動機的主要優(yōu)點是調(diào)速和啟動特性好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，被廣泛應用于各種驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中。但是，直流電動機都有電刷和換向器，其間形成的滑動機械接觸嚴重地影響了電動機的精度、性能和可靠性，所產(chǎn)生的火花會引起無線電干擾�？s短電動機壽命，換向器電刷裝置又使直流電動機結(jié)構復雜、噪聲大、維護困難，長期以來人們都在尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機。
隨著電子技術的迅速發(fā)展，各種大功率電子器件的廣泛采用，這種愿望已被逐步實現(xiàn)。本章要介紹的無刷直流電動機利用電子開關線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，使這種電動機既具有直流電動機的特性。又具有交流電動機結(jié)構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點；它的轉(zhuǎn)速不再受機械換向的限制，若采用高速軸承，還可以在高達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)要中運行。
元刷直流電動機用途非常廣泛，可作為一般直流電動機、伺服電動機和力矩電動機等使用，尤其適用于****電子設備、機器人、航空航天技術、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新技術領域。無刷直流電動機將電子線路與電機融為一體，把先進的電子技術應用于電機領域，這將促使電機技術更新、更快地發(fā)展。
二、無刷直流電動機的基本結(jié)構和類型
(一)基本結(jié)構
無刷直流電動機是一種自控變頻的永磁同步電動機，就其基本組成結(jié)構而言．可以認為是由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關電路三部分組成的“電動機系統(tǒng)”。其基本結(jié)構如圖5一20所示。
電動機本體在結(jié)構上是一臺普通的凸極式同步電動機．它包括主定子和主轉(zhuǎn)子兩部分，主定子上放置空間互差120。的三相對稱電樞繞組Ax、BY、cz，接成星形或三角形，主轉(zhuǎn)子是用****磁鋼制成的一對磁極。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子、轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子安裝在主電動機殼內(nèi)，轉(zhuǎn)子和主轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)。它的作用是把主轉(zhuǎn)子的位置檢測出來．變成電信號去控制電子開關電路，故也稱轉(zhuǎn)子位置檢測器。電子開關電路中的功率開關元件分別與主定子上各相繞組相連接．通過位置傳感器輸出的信號，控制三極管的導通和截止．從而使主定子上各相繞組中的電流也隨著轉(zhuǎn)子位置的改變，按一定的順序進行切換，實現(xiàn)無接觸式的換向。
l.電機本體
元刷直流電動機是將普通直流電動機的定予與轉(zhuǎn)子進行了互換。其轉(zhuǎn)子為****磁鐵，產(chǎn)生氣隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構上，它與永磁同步電動機類似。
無刷直流電動機定子的結(jié)構與普通的同步電動機或感應電動機相同．在鐵芯中嵌入多相繞組(三相、四相、五相不等)．繞組可接成星形或三角形，并分別與逆變器的各功率管相連，以便進行合理換相。轉(zhuǎn)子多采用釤鈷或釹鐵硼等高矯頑力、高剩磁密度的稀土料，由于磁極中磁性材料所放位置的不同．可以分為表面式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。由于電動機本體為永磁電機，所以習慣上把無刷直流電動機也叫做永磁無刷直流電動機。
2．轉(zhuǎn)子位置傳感器
轉(zhuǎn)子位置傳感器是無刷直流電動機的一個關鍵部件。可根據(jù)不同的原理構成如電磁感應式、光電式、磁敏式等多種不同的結(jié)構形式。其中，電磁感應式工作可靠，維護簡便，壽命長．所以應用較多。它決定著電樞各相繞組開始通電的時刻。它的作用相當于一般直流電動機中的電刷。改變位置檢測器產(chǎn)生信號的時刻(相位)．相當于直流電動機中改變電刷在空間的位置，對無刷直流電動機的特性有很大的影響。
位置傳感器一般也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。轉(zhuǎn)子是用來確定電動機本體磁極的位置，定子的安放是為了檢測和輸出轉(zhuǎn)子的位置信號。傳感器種類較多．且各具特點。目前在無刷直流電動機中常用的位置傳感器有以下幾種形式。
(1)電磁式位置傳感器。是一種利用電磁效應來實現(xiàn)位置測量的傳感元件，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關等多種形式，其中開_j變壓器使用較多。
電磁感應式轉(zhuǎn)子位置傳感器原理如圖j 2l所示。其定子由原邊線圈與副邊線圈繞在同一鐵芯組成，轉(zhuǎn)子則由一個具有一定角度(近似電動機的導通角)的導磁捌料組成，該導磁材料可由鐵氧體或硅鋼片制成。在線圈的原邊wl端輸入高頻激磁信號．在副邊線圈中感應出耦合轉(zhuǎn)子鐵芯與定子鐵芯相對位置的輸出信號，圖中的wa經(jīng)過電子線路處理，變成與電動機定子、轉(zhuǎn)子位置相對應的電平信號，再經(jīng)整形處理，就得到了電動機的換向信號。而沒有耦合轉(zhuǎn)子鐵芯的定子線圈Wb、Wc均無信號輸出。
電磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、使用環(huán)境要求不高、適應性強、結(jié)構簡單和緊湊等優(yōu)點，但這種傳感器信噪比較低．體積較大．而且其輸出波形為交流，一般需經(jīng)整流、濾波后方可使用，因而極大地限制了其在普通情況下的應用。
(2)磁敏式位置傳感器。磁敏傳感器利用電流的磁效應進行工作，所組成的位置檢測器由與電機同軸安裝、具有與電機轉(zhuǎn)子同極數(shù)的永磁檢測轉(zhuǎn)子和多只空問均勻分布的磁敏元件構成。目前常用的磁敏元件為霍爾元件或霍爾集成電路，它們在磁場作用下會產(chǎn)生霍爾電
勢，經(jīng)整形、放大后即可輸出所需電平信號，構成了原始的位置信號。圖5-22為霍爾集成電路及其開關型輸出特性。
為了獲得三組互差120°電角度、寬180度電角度的方波原始位置信號。需要3只在空間互差 機械角度分布霍爾元件，其中戶為電機極對數(shù)。圖5-23給出了一臺四極電動機的霍爾位置檢測器完整結(jié)構，3個霍爾元件Hl、H2、H3在空間互差60°機械角度分布。當永磁檢測轉(zhuǎn)子依次經(jīng)過霍爾元件時。根據(jù)極性的不同，產(chǎn)生出三相互差120°電角度、寬180°電角度的方波位置信號，它正好反映了同軸安裝的電動機轉(zhuǎn)子磁極的空間位置信息。經(jīng)整形電路和邏輯電路后，輸出6路功率電子開關的觸發(fā)信和邏輯電路號�；魻栁恢脵z測器是永磁無刷直流電動機中采用較多的一種。
(3)光電式位置傳感器和光電式位置傳感元件的結(jié)構。這是一種利用與電動機轉(zhuǎn)子同軸安裝、帶缺口旋轉(zhuǎn)圓盤對光電元件進行通、斷控制．以產(chǎn)生一系列反映轉(zhuǎn)子空間位置脈沖信號的檢測方式。由于三相永磁元刷直流電動機一般每l／6周期換相一次，因此只要采用與電磁式或霍爾式位置檢測相似的簡單檢測方法即可，不必采用光電編碼盤的復雜方式。簡單光電元件的結(jié)構如圖5一24所示．由紅外發(fā)光二極管和光敏三極管構成。當元件凹槽內(nèi)光線被圓盤擋住時，光敏三極管不導通：當凹槽內(nèi)光線
由圓盤缺口放過時，光敏三極管導通．以此輸出開關型的位置信號。圓盤缺口弧度及光電元件空間布置規(guī)律和開口變壓器式位置檢測器相同。
除了以上3種位置傳感器外，還有正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等其他位置傳感元件，但成本高、體積大、線路復雜，較少采用。由于位置檢測器有機械安裝、維護及運行可靠性等問題．因此近期來出現(xiàn)了元位置檢測器。
元位置傳感器檢測技術的成功運用解決了位置傳感器安裝難的問題，而且減小了體積，提高了可靠性，受到了國內(nèi)外的普遍關注。目前較為常用的方法有：反電動勢檢測法、續(xù)流二極管工作方式檢測法、定子三次諧波檢測法和瞬時電壓方程法等。
必須注意：通過各種方法所得到的位置信號一般不能直接用來控制功率管的通斷．往往需要經(jīng)過一定的邏輯處理后才能作用于邏輯控制單元。
3．電子換向電路
無刷直流電動機的電子換相線路是用來控制電動機定子繞組通電的順序和導通的時間。主要由功率開關管和邏輯控制電路組成．功率開關單元是核心部分．其功能是將電源的功率以一定的邏輯關系分配給無刷直流電動機定子E的各項繞組，從而使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩�？刂撇糠质菍⑼ㄟ^位置檢測得到的信號．根據(jù)需要轉(zhuǎn)化成相應的脈沖信號去驅(qū)動功率開關管。目前，無刷直流電動機的主開關一般采用IGBT或M0sFET等全控型器件，有些主電路已經(jīng)有了集成功率模塊(PIc)和智能功率模塊(IPM)，它們的應用可以使整個系統(tǒng)的呵靠性大幅度提高。
(=)無刷直流電動機的類型
近年來出現(xiàn)的元刷直流電動機，用晶體管開關電路和位置傳感器代替電刷和換向器。無刷直流電動機的類型按晶體管開關電路的不同可分為橋式和非橋式兩種；按所使用的位置傳感器形式的不同可分為光電式、電磁式、磁敏元件式和接近開關式等。
三、無刷直流電動機的基本工作原理
在實際應用中，永磁無刷直流電動機多采用三相橋式功率主電路形式，但為了便于說明，先從三相半橋式主電路開始分析其運行原理。
1.三相半橋主電路
圖5-25為三相半橋式永磁無刷直流電機（P=1）三只光電式位置傳感元件H1 H2 H3 空間互差120°均勻分布，寬180°缺口遮光圓盤與電動機轉(zhuǎn)子同軸安裝，調(diào)整圓盤缺口與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置，使缺口邊沿能反映轉(zhuǎn)子磁極的空間位置。
該缺口位置使光電元件H1受光而輸出高電平，觸發(fā)導通功率開關VTl使直流電流流入A相繞組Ax，形成位于A相繞組軸線上的電樞磁勢。此時圓盤缺口與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置被調(diào)整得使轉(zhuǎn)子永相繞組平面磁勢Ff位于B相繞組B-X平面上所示，如圖5—26(a)所示兩者相互作用產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)至圖5 26(b)所示的位置時，如仍保持A相繞組通電，則電樞磁勢Ff的空間角度講減為30°并繼續(xù)減小，最終造成驅(qū)動轉(zhuǎn)矩消失。然而由于同軸安裝的旋轉(zhuǎn)圓盤同步旋轉(zhuǎn)，此時正好使光電元件H2受光，H1遮光，從而功率開關VT2導通，電流從A相繞組斷開轉(zhuǎn)而流人B相繞組B-Y，電流換相，電樞磁勢變?yōu)镕b它又在旋轉(zhuǎn)方向上重新****永磁磁勢Ff150°相，兩者相互作用產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子順時針繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)到圖5—26(c)所示的位置時，同理又發(fā)生電樞電流從B相向c相的換流，保證了電磁轉(zhuǎn)矩的持續(xù)產(chǎn)生和電動機的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至重新回到圖5—26(d)或圖5-26(a)的起始位置。
可以看出，由于同軸安裝轉(zhuǎn)子位置檢測圓盤的作用，定子各相繞組在位置檢測器的控制下依次饋電，其相電流為120°寬的矩形波，如圖5—27所示。這樣的三相電流使得定子繞組產(chǎn)生的電樞磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子永磁磁場在空間始終能保持近似垂直的關系，為****限度地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩創(chuàng)造了條件。同時也可以看出．經(jīng)歷換相過程的定子繞組電樞磁場不是勻
速旋轉(zhuǎn)磁場而是跳躍式的步進磁場，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的范圍內(nèi)有3種磁狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)1／3周期(120。電角度)．如圖5 26中FA、FB、Fc所示�？梢韵胂螅纱水a(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩存在很大的脈動．尤其低速運行時會使轉(zhuǎn)速波動。為了解決這個問題，只有增加轉(zhuǎn)子一周內(nèi)的磁狀態(tài)數(shù)，此時應采用三相橋式主電路結(jié)構。
2．三相橋式主電路
三相橋式主電路如圖5一28所示，功率電子開關為標準三相橋式結(jié)構，上橋臂元件VTl、 VT3、VT5給各相繞組提供正向電流，產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩；下橋臂元件VT4、VT6、VT2 給各相繞組提供反向電流，在相同極性轉(zhuǎn)子永磁磁場作用下將產(chǎn)生反向電磁轉(zhuǎn)矩。功率元件通電方式有兩兩通(120。導通型)和三三通電(180。導通型)，其輸出轉(zhuǎn)矩大小不同。
(1)兩兩通電方式。所謂兩兩導通方式是指每一瞬間有兩個功率管導通，每隔1／6周期(60°)電角度)換相一次，每次換相一個功率管，不同橋臂之間左右換相。每個功率管導通120°電角度。功率管的導通順序依次為：vTl、vT2；vT2、vT3；vT3、vT4；vT4
VT5；VT5、VT6；VT6、VTl．．…·在這種通電方式下各導通120°電角度，每個相繞組又與
兩個開關元件相連，各相繞組會在正、反兩個方向均流過120°寬的方波電流，三相繞組中電流波形如圖5—29所示。
由于任一時刻均有一個上橋臂元件導通使某相繞組獲得正向電流產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，又有一個下橋臂元件導通使另一相繞組獲得反向電流產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩，此時的合成轉(zhuǎn)矩應是相關相繞組通電產(chǎn)生的正、負轉(zhuǎn)矩的矢量和，如圖5—30所示�？梢钥闯�，合成轉(zhuǎn)矩是一相通電時所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的√3倍，每經(jīng)過一次換相合成轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過60°電角度。一個輸出周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩要經(jīng)歷方向變換6次，從而使轉(zhuǎn)矩脈動比三相半橋主電路時要平緩得多。
(2)三三通電方式。所謂三三導通方式是指每一瞬間有3個功率管導通，每隔l／6周期(60°）電角度)換相一次．每次換相是同一橋臂的上下管之間換相．每個功率管導通180°電角度。功率管的導通順序依次為：VTl、VT2、VT3；VT2、VT3、VT4；VT3、VT4、VT5；VT4、VT5、VT6；VT5、VT6、VTl；VT6、VTl、VT……：可見這種方式運轉(zhuǎn)一個周期，轉(zhuǎn)子合成驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的圖示與兩兩方式下是一致的，均為6種狀態(tài)，不同的是此時的合成轉(zhuǎn)矩的幅值是單相繞組轉(zhuǎn)矩幅值的1．5倍，這是由于三相電流同時作用的結(jié)果，電動機在運行過程中的轉(zhuǎn)矩矢量合成圖如圖5-31所示。
雖然三相永磁無刷直流電動機是應用****泛的一種，但人們從減少轉(zhuǎn)矩的脈動、擴大單機容量等角度出發(fā)，開發(fā)出了多相電動機，如四相、五相，甚至十相、十二相電動機。為了提高電動機繞組的利用率，應采用多相同時通電運行的方式。
|
