無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)、類(lèi)型和基本原理

1、無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)、類(lèi)型和基本原理2009年1月1幻無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一、概述直流電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速和啟動(dòng)特性好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，被廣泛使用于各種驅(qū)動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中。但是，直流電動(dòng)機(jī)都有電刷和換向器，其間形成的滑動(dòng)機(jī)械接觸嚴(yán)重地影響 了電動(dòng)機(jī)的精度、性能和可靠性，所產(chǎn)生的火花會(huì)引起無(wú)線電干擾?？s短電動(dòng)機(jī)壽命，換向 器電刷裝置又使直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大、維護(hù)困難，長(zhǎng)期以來(lái)人們都在尋求可以不用 電刷和換向器裝置的直流電動(dòng)機(jī)。隨著電子技術(shù)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(shí)現(xiàn)。本章要介紹的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)利用電子開(kāi)關(guān)線路和位置傳感器來(lái)代替電刷和換向器，使這種電動(dòng)機(jī)既具有直流電動(dòng)

2、機(jī)的特性。又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，若采用咼速軸承， 還可以在咼達(dá)每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)要中運(yùn)行。元刷直流電動(dòng)機(jī)用途非常廣泛，可作為一般直流電動(dòng)機(jī)、 伺服電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)等使用，尤其適用于高級(jí)電子設(shè)備、機(jī)器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新技術(shù)領(lǐng)域。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)將電子線路和電機(jī)融為一體，把先進(jìn)的電子技術(shù)使用于電機(jī)領(lǐng)域，這將促使電機(jī)技術(shù)更新、更快地發(fā)展。二、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和類(lèi)型（一）基本結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種自控變頻的永磁同步電動(dòng)機(jī)，就其基本組成結(jié)構(gòu)而言. 可以認(rèn)為電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。其基本結(jié)構(gòu)是由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和

3、電子開(kāi)關(guān)電路三部分組成的 如圖5一 20所示。圖20無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上是一臺(tái)普通的凸極式同步電動(dòng)機(jī)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(duì)稱(chēng)電樞繞組 Ax、BY cz,接成星形或三角形，主轉(zhuǎn)子是 用永久磁鋼制成的一對(duì)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(dòng)機(jī)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(cè)出來(lái)變成電信號(hào)去控 制電子開(kāi)關(guān)電路，故也稱(chēng)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器。電子開(kāi)關(guān)電路中的功率開(kāi)關(guān)元件分別和主定子上各相繞組相連接通過(guò)位置傳感器輸出的信號(hào)，控制三極管的導(dǎo)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，

4、按一定的順序進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式的換向。|.電機(jī)本體元刷直流電動(dòng)機(jī)是將普通直流電動(dòng)機(jī)的定予和轉(zhuǎn)子進(jìn)行了互換。其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，產(chǎn)生氣隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構(gòu)上，它和永磁同步電動(dòng)機(jī)類(lèi)似。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)和普通的同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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，并分別和逆變器的各功率管相連，以便進(jìn)行合理?yè)Q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(dòng)機(jī)本 體為永磁電機(jī)，所以習(xí)慣上把無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也叫做永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。2轉(zhuǎn)子位

5、置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件。可根據(jù)不同的原理構(gòu)成如電磁感應(yīng)式、光電式、磁敏式等多種不同的結(jié)構(gòu)形式。其中，電磁感應(yīng)式工作可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便，壽命 長(zhǎng).所以使用較多。它決定著電樞各相繞組開(kāi)始通電的時(shí)刻。它的作用相當(dāng)于一般直流電動(dòng) 機(jī)中的電刷。改變位置檢測(cè)器產(chǎn)生信號(hào)的時(shí)刻(相位)相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)中改變電刷在空間的位置，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(lái)確定電動(dòng)機(jī)本體磁極的位置，定子的安放是為了檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。傳感器種類(lèi)較多且各具特點(diǎn)。目前在無(wú)刷 直流電動(dòng)機(jī)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

6、一種利用電磁效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量的傳感元件，有開(kāi)口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開(kāi)關(guān)等多種形式，其中開(kāi)變壓器使用較多。電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)子位置傳感器原理如圖j 21所示。其定子由原邊線圈和副邊線圈繞在同一鐵芯組成，轉(zhuǎn)子則由一個(gè)具有一定角度(近似電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)通角)的導(dǎo)磁捌料組成，該導(dǎo)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(hào).在副邊線圈中感應(yīng)出耦合轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯相對(duì)位置的輸出信號(hào)，圖中的wa經(jīng)過(guò)電子線路處理，變成和電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子位置相對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)，再經(jīng)整形處理，就得到了電動(dòng)機(jī)的換向信號(hào)。而沒(méi)有耦 合轉(zhuǎn)子鐵芯的定子線圈 Wb、Wc均無(wú)信號(hào)輸出。電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可

7、靠、壽命長(zhǎng)、使用環(huán)境要求不高、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊等優(yōu)點(diǎn)，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使用。(2) 磁敏式位置傳感器。 磁敏傳感器利用電流的磁效應(yīng)進(jìn)行工作，所組成的位置檢測(cè)器由和電機(jī)同軸安裝、具有和電機(jī)轉(zhuǎn)子同極數(shù)的永磁檢測(cè)轉(zhuǎn)子和多只空問(wèn)均勻分布的磁敏元件構(gòu) 成。目前常用的磁敏元件為霍爾元件或霍爾集成電路，它們?cè)诖艌?chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，經(jīng)整形、放大后即可輸出所需電平信號(hào)，構(gòu)成了原始的位置信號(hào)。圖 路及其開(kāi)關(guān)型輸出特性。5-22為霍爾集成電需要3只在空間互差機(jī)械角度分布霍爾元件，其中戶(hù)為電機(jī)極對(duì)數(shù)。圖5-

8、23合出了一臺(tái)四極電動(dòng)機(jī)的霍爾為了獲得三組互差120電角度、寬18(度電角度的方波原始位置信號(hào)位置檢測(cè)器完整結(jié)構(gòu)，3個(gè)霍爾元件HI、H2、H3在空間互差60°機(jī)械角度分布。當(dāng)永磁檢測(cè)轉(zhuǎn)子依次經(jīng)過(guò)霍爾元件時(shí)。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(hào)，它正好反映了同軸安裝的電動(dòng)機(jī)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(kāi)關(guān)的觸發(fā)信和邏輯電路號(hào)?；魻栁恢脵z測(cè)器是永磁無(wú)刷直流電動(dòng) 機(jī)中采用較多的一種。圖刁曲富爾琵進(jìn)電昭用算卅艾浪博比特汁 Z 霍朱聲脫啦廉1舁”開(kāi)關(guān)出柞料：怖二2?囚展業(yè)型取弱播爾悅置蛉測(cè)番這是一種利用和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安(

9、3) 光電式位置傳感器和光電式位置傳感元件的結(jié)構(gòu)。裝、帶缺口旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)對(duì)光電元件進(jìn)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(hào)的檢測(cè)方式。由于三相永磁元刷直流電動(dòng)機(jī)一般每1/ 6周期換相一次，因此只要采用和電磁式或霍爾式位置檢測(cè)相似的簡(jiǎn)單檢測(cè)方法即可，不必采用光電編碼盤(pán)的復(fù)雜方式。簡(jiǎn)單光電元件的結(jié)構(gòu)如圖5一 24所示由紅外發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成。當(dāng)元件凹槽內(nèi)光線被圓 盤(pán)擋住時(shí)，光敏三極管不導(dǎo)通：當(dāng)凹槽內(nèi)光線由圓盤(pán)缺口放過(guò)時(shí)，光敏三極管導(dǎo)通.以此輸出開(kāi)關(guān)型的位置信號(hào)。圓盤(pán)缺口弧度及光電元 件空間布置規(guī)律和開(kāi)口變壓器式位置檢測(cè)器相同。圖5-24簡(jiǎn)單光電元件的結(jié)構(gòu)除了以上3種位置傳感器外，還有

10、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(fù)雜，較少采用。由于位置檢測(cè)器有機(jī)械安裝、維護(hù)及運(yùn)行可 靠性等問(wèn)題因此近期來(lái)出現(xiàn)了元位置檢測(cè)器。元位置傳感器檢測(cè)技術(shù)的成功運(yùn)用解決了位置傳感器安裝難的問(wèn)題，而且減小了體積，提高了可靠性，受到了國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注。目前較為常用的方法有：反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流 二極管工作方式檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。必須注意：通過(guò)各種方法所得到的位置信號(hào)一般不能直接用來(lái)控制功率管的通斷.往往需要經(jīng)過(guò)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換相線路是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子繞組通電的順序和導(dǎo)通的時(shí)間

11、。主要由功率開(kāi)關(guān)管和邏輯控制電路組成.功率開(kāi)關(guān)單元是核心部分.其功能是將電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子E的各項(xiàng)繞組，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。控制部分是將通過(guò)位置檢測(cè)得到的信號(hào).根據(jù)需要轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管。目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主開(kāi)關(guān)一般采用IGBT或MOsFET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）,它們的使用可以使整個(gè)系統(tǒng)的呵靠性大 幅度提高。（=）無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型近年來(lái)出現(xiàn)的元刷直流電動(dòng)機(jī)，用晶體管開(kāi)關(guān)電路和位置傳感器代替電刷和換向器。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型按晶體管開(kāi)關(guān)電路的不同可分為橋式和非橋式兩種

12、；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(kāi)關(guān)式等。三、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理在實(shí)際使用中，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)多采用三相橋式功率主電路形式，但為了便于說(shuō)明，先從三相半橋式主電路開(kāi)始分析其運(yùn)行原理。1三相半橋主電路圖5-25為三相半橋式永磁無(wú)刷直流電機(jī)(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(pán)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝，調(diào)整圓盤(pán)缺口和轉(zhuǎn)子磁極圖P25三相半橋式永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)該缺口位置使光電元件 H受光而輸出高電平，觸發(fā)導(dǎo)通功率開(kāi)關(guān) VTI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(shì)。此時(shí)圓盤(pán)缺口

13、和轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置被調(diào)整得使轉(zhuǎn)子永相繞組平面磁勢(shì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)至圖5 26(b)所示的位置時(shí)，如仍保持A相繞組通電，則電樞磁勢(shì)Ff的空間角度講減為30°并繼續(xù)減小，最終造成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩消失。然而由于同軸安裝的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)同步旋轉(zhuǎn)，此時(shí)正好使光電元件H2受光，H1遮光，從而功率開(kāi)關(guān)VT2導(dǎo)通，電流從 A相繞組斷開(kāi)轉(zhuǎn)而流人B相繞組B-Y電流換相，電樞磁勢(shì)變?yōu)镕b它又在旋轉(zhuǎn)方向上重新領(lǐng)先永磁磁勢(shì)Ff150相，兩者相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子順時(shí)針繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)到圖5 26(c)所示的位

14、置時(shí)，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(dòng)機(jī)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。IB s 齊ht塊也適電堰序圧嶼申毬掙佇雷圖可以看出，由于同軸安裝轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)圓盤(pán)的作用，定子各相繞組在位置檢測(cè)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(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在空間始終能保持近似垂直的關(guān)系，為最大限度地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩創(chuàng)造了條件。同時(shí)也可以看出經(jīng)歷換相過(guò)程的定子繞組電樞磁場(chǎng)不是勻速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而是跳躍式的步進(jìn)磁場(chǎng)，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(1

15、20電角度).如圖5 26中FA、FB Fc所示?？梢韵胂?，由此產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩存在很大 的脈動(dòng)尤其低速運(yùn)行時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)速波動(dòng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，只有增加轉(zhuǎn)子一周內(nèi)的磁狀態(tài) 數(shù)，此時(shí)應(yīng)采用三相橋式主電路結(jié)構(gòu)。0笳123240°360°480"心® 5-27三相半橋式主電路各相繞組電流波形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(kāi)關(guān)為標(biāo)準(zhǔn)三相橋式結(jié)構(gòu)，上橋臂元件VTI、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(chǎng)作用下將產(chǎn)生反向電磁轉(zhuǎn)矩。功率元件通

16、電方式有兩兩通（120導(dǎo)通型）和三三通電（180導(dǎo)通型），其輸出轉(zhuǎn)矩大小不同。（1兩兩通電方式。所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期（60 ）電角度）換相一次，每次換相一個(gè)功率管，不同橋臂之間左右換相。每個(gè)功率管導(dǎo)通120°角度。功率管的導(dǎo)通順序依次為：vTI、vT2; vT2、vT3; vT3、vT4; vT4VT5; VT5、VT6; VT6、VTI.在這種通電方式下各導(dǎo)通120電角度，每個(gè)相繞組又和120寬的方波電流，三相繞組中電兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件相連，各相繞組會(huì)在正、反兩個(gè)方向均流過(guò) 流波形如圖5 29所示。曲為r棉耕只主電曲IS 商陋電方咒下榜氏 雖鍥也駕

17、欄整綢電汛坡弟由于任一時(shí)刻均有一個(gè)上橋臂元件導(dǎo)通使某相繞組獲得正向電流產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，又有一個(gè)下橋臂元件導(dǎo)通使另一相繞組獲得反向電流產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩應(yīng)是相關(guān)相繞組通電產(chǎn)生的正、負(fù)轉(zhuǎn)矩的矢量和，如圖5 30所示?？梢钥闯觯铣赊D(zhuǎn)矩是一相通電時(shí)所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的V3咅，每經(jīng)過(guò)一次換相合成轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度。一個(gè)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(dòng)比三相半橋主電路時(shí)要平緩得多。W(b)圖5七0 Y接繞組兩兩通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩(a) VTh VT2導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩；(h) VT沢VT3 #逋時(shí)合成轉(zhuǎn)矩；(C)兩兩通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩矢量(2)三三通電方式。所謂三三導(dǎo)通方式是指每一瞬間有3個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/ 6周期(60 °電角度)換相一次每次換相是同一橋臂的