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无刷直流电动机的结构与工作原理

2018-08-03 10:06:33 阅读()

  无刷直流电动机的运行原理就是利用电子开关电路代替有刷直流电动机的机械换向器。普通有刷直流电动机电刷起换相作用,使主磁场和电枢磁场的方向在电动机运行过程中始终保持垂直,从而产生最大转矩,驱动电动机不停运转。元刷直流电动机为了实现无机械接触换相,取消了电刷,将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子侧和转子侧,成为倒装式直流电动机结构。为了实现对电动机转速和转动方向的控制,无刷直流电动机必须具有由转子位置传感器、控制电路及功率逆变桥共同构成的换相装置。
  1、电动机结构 
  与一般直流电动机相类似,无刷直流电动机转矩的获得也是通过改变相应电枢绕组电流在不同磁极下的方向,从而使得电磁转矩始终朝着固定的方向旋转。但是无刷直流电动机没有电刷和换相器,为了实现电枢电流在不同磁极下的换相,无刷直流电动机必须具有相应的换流装置位置检测电路和电子换相电路。
  无刷直流电动机基本上可以认为是个闭环的机电一体化系统,由电动机本体、位置检测电路和电子换相电路逆变器三部分组成。图2-26所示为无刷直流电动机的组成原理。
  (1)元刷直流电动机本体。无刷直流电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似,但没有笼型绕组和其他起动装置,它由永磁体转子、定子绕组等组成。转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2、4…)组成,作用是在电动机的气隙中建立足够的磁场;而定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)对称绕组,其作用是在电动机中间产生一个旋转磁场,驱动转子按某个固定方向运转。
  (2)电子换相电路。电子换相电路用来控制电动机定子上各相绕组通断的顺 序和时间,主要分为控制电路和驱动电路。控制电路不仅接收位置检测电路的信号,发送控制信号给驱动电路,还接收电流、电压和转速等反馈信号,采用控制算法实现电流和速度闭环控制以及一些保护功能。驱动电路一般由功率开关器件以及器件所需的驱动芯片组成,其主要作用是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上的各相绕组,从而输出持续不断的转矩。  电子换相电路有桥式和非桥式两种。三相桥式换相电路中功率器件的使用效率高,可以与各种绕组连接方式的电动机配合使用。
  (3)位置检测电路。位置检测电路的作用是检测电动机的转子位置,检测得 到的信号决定了各相绕组导通的顺序和时间,作为电子换相的依据。无刷直流电动机处于有位置传感器工作方式时,转子位置信号由位置传感器提供。传感器的种类有电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器霍尔位置传感器等。处于无位置传感器工作方式时,通过变换电动机的可测量得到转子位置信息。
  2、工作原理 
  无刷直流电动机为了实现直流电动机的元电刷换向,一般将电枢绕组放在定子上,把永磁磁钢放在转子上,与传统永磁直流电动机的结构刚好相反。但仅这样做还不够,没有电刷的换流作用,用一般直流电源给定子各绕组供电,只能产生固定磁场,它不能与运动中的转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用,来产生持续的单一方向的转矩,也就无法驱动转子连续转动。无刷直流电动机用位置检测器(有位置传感器或无位置传感器)、电子换向电路来取代有刷直流电动机的电刷和换相器,即用电子换相取代机械换相,由位置检测器提供转子位置信号,经控制器逻辑处理后,控制电子换相电路换相,使定子绕组所产生的电枢磁场与转子磁钢产生的永磁磁场相互作用,产生持续不断的转矩,保证电动机连续运转。
  无刷直流电动机的运行方式因电动机本体的绕组型式不同而各异,多数无刷直流电动机的定子绕组是三相绕组。
3、驱动方式 
  三相绕组元刷直流电动机的绕组连接方式有三相星形连接和三相三角形连接两种。三相星形连接有三相半控电路方式和三相全控电路方式两种运行方式。三相半控电路方式结构简单,但是每个绕组只通电1/3周期的时间,因此利用率很低,转矩的波动也大。相较而言,三相全控电路运行方式转矩脉动小,绕组利用率高,所以在大部分场合都采用三相全控电路方式。无刷直流电动机三相全控电路原理如图2-27所示。
  三相全控运行方式因同时导通的绕组数不同,可分为两两导通方式(也称为120 °导通方式)和三三导通方式(也称为180 °导通方式)两种。 
4、电动机转速与电磁转矩的产生 
  无刷直流电动机是同步电动机的一种,也就是说电动机转子的转速受电动机定子旋转磁场的速度及转子极对数(p)影响, n=60f/p。在转子极对数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率,就可以改变转子的转速。直流元刷电动机即是将同步电动机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电动机转子的转速回传至控制中心反复校正,以期达到接近直流电动机特性的方式。也就是说,直流无刷电动机能够在额定负载范围内当负载变化时控制电动机转子维持一定的转速。
  无刷直流电动机在结构上仍然是一台直流电动机,只是去掉了电刷,并且将永磁体装在转子侧,而电枢绕组装在定子侧。无刷直流电动机用位置检测器(有位置传感器或无位置传感器)、电子换向电路来取代有刷直流电动机的电刷和换相器,即用电子换相取代机械换相,由位置检测器提供转子位置信号,经控制器逻辑处理后,控制电子换相电路换相,使定子绕组所产生的电枢磁场与转子磁钢产生的永磁磁场相互作用,产生持续不断的转矩。所以在分析电磁转矩时,仍然是转子因为切割磁感线而产生一个力矩,这就是电磁转矩的来源。
 

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