無刷直流電機構成及工作原理

直流電機主要有直流有刷電機和無刷直流電機兩種，特別是無刷直流電機以其出色的工作特性在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中應用廣泛，本文對無刷直流電機構成及工作原理進行介紹。

無刷直流電機簡介

無刷直流電機(BLDC)以電子換向器取代了機械換向器，所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調(diào)速性能等特點，又具有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點。

圖1.無刷直流電機模型

無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無)組成。可見，它和直流電機有著很多共同點，定子和轉(zhuǎn)子的結構差不多(原來的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ?，繞組的連線也基本相同。但是，結構上它們有一個明顯的區(qū)別：無刷直流電機沒有直流電機中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機結構就相對簡單，降低了電機的制造和維護成本，但無刷直流電機不能自動換向(相)，犧牲的代價是電機控制器成本的提高(如同樣是三相直流電機，有刷直流電機的驅(qū)動橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機的驅(qū)動橋則需要 6 只功率管)。

圖1所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對極的無刷直流電機，它的定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外。另一種無刷直流電機的結構和這種剛剛相反，它的定子在外，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，即定子是線圈繞組組成的機座，而轉(zhuǎn)子用永磁材料制造。

無刷直流電機有以下的特點：

● 無刷直流電機的外特性好，能夠在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩，使得它可以提供大的起動轉(zhuǎn)矩；

● 無刷直流電機的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運行；

● 無刷直流電機的效率高、過載能力強，使得它在拖動系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn)；

● 無刷直流電機的再生制動效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動時電機可以進入發(fā)電機狀態(tài)；

● 無刷直流電機的體積小，功率密度高；

● 無刷直流電機無機械換向器，采用全封閉式結構，可以防止塵土進入電機內(nèi)部，可靠性高；

● 無刷直流電機比異步電機的驅(qū)動控制簡單。

無刷直流電機的工作原理

無刷直流電機的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機通以固定的直流電流，則電機只能產(chǎn)生不變的磁場，電機不能轉(zhuǎn)動起來，只有實時檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機的不同相通以對應的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，電機才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動起來。

如圖2所示為無刷直流電機的轉(zhuǎn)動原理示意圖，為了方便描述，電機定子的線圈中心抽頭接電機電源 POWER，各相的端點接功率管，位置傳感器導通時使功率管的 G極接 12V，功率管導通，對應的相線圈被通電。由于三個位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，會依次導通，使得對應的相線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場方向也不斷地變化，電機轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動起來，這就是無刷直流電機的基本轉(zhuǎn)動原理——檢測轉(zhuǎn)子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場的方向連續(xù)均勻地變化。

圖2.無刷直流電機轉(zhuǎn)動原理示意圖

無刷直流電機的驅(qū)動方法

無刷直機電機的驅(qū)動方式按不同類別可分多種驅(qū)動方式，它們各有特點。

按驅(qū)動波形：

● 方波驅(qū)動，這種驅(qū)動方式實現(xiàn)方便，易于實現(xiàn)電機無位置傳感器控制；

● 正弦驅(qū)動，這種驅(qū)動方式可以改善電機運行效果，使輸出力矩均勻，但實現(xiàn)過程相對復雜。同時，這種方法又有SPWM 和 SVPWM(空間矢量PWM)兩種方式，SVPWM的效果好于SPWM。