无刷直流电机结构、类型和基本原理
- 格式:doc
- 大小:797.00 KB
- 文档页数:10
无刷直流电机的组成及工作原理2.1 引言直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成,电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成,而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。
工作时,控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管,进行有序换流,以驱动直流电动机。
下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。
2.2 无刷直流电机的组成2.2.1 电动机本体无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样,但它的电枢绕组放在定子上,转子采用的重量、简化了结构、提高了性能,使其可*性得以提高。
无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的,磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段:铝镍钴,铁氧体磁性材料,钕铁硼(NdFeB)。
钕铁硼有高磁能积,它的出现引起了磁性材料的一场革命。
第三代钕铁硼永磁材料的应用,进一步减少了电机的用铜量,促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。
目前,为提高电动机的功率密度,出现了横向磁场永磁电机,其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直,电机中的主磁通沿电机轴向流通,这种结构提高了气隙磁密,能够提供比传统电机大得多的输出转矩。
该类型电机正处于研究开发阶段。
2.2.2 电子换相电路控制电路:无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件,来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机,包括过流、过压、过热等保护。
控制电路最初采用模拟电路,控制比较简单。
如果将电路数字化,许多硬件工作可以直接由软件完成,可以减少硬件电路,提高其可靠性,同时可以提高控制电路抗干扰的能力,因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。
驱动电路:驱动电路输出电功率,驱动电动机的电枢绕组,并受控于控制电路。
驱动电路由大功率开关器件组成。
正是由于晶闸管的出现,直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。
但由于晶闸管是只具备控制接通,而无自关断能力的半控性开关器件,其开关频率较低,不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。
有刷直流电机和无刷直流电机的结构及工作原理一、有刷直流电机的结构及工作原理1.1 有刷直流电机的组成部分有刷直流电机主要由以下几个部分组成:定子、转子、电刷、换向器和轴承。
其中,定子和转子是电机的核心部件,电刷和换向器则起到传输电流和实现换向的作用,轴承则保证了电机的正常运转。
1.2 有刷直流电机的工作原理有刷直流电机的工作原理主要是利用电刷在换向器表面产生摩擦力,使电流在定子和转子之间的线圈中产生磁场,从而实现电机的转动。
当电流通过定子线圈时,会产生一个磁场,这个磁场会与转子上的永磁体相互作用,使转子产生旋转力矩。
而电刷则在换向器表面不断滑动,当电流方向改变时,电刷与换向器之间的接触点也会随之改变,从而实现电流方向的切换。
这样,电机就能连续不断地转动下去。
二、无刷直流电机的结构及工作原理2.1 无刷直流电机的组成部分无刷直流电机与有刷直流电机相比,最大的区别在于它采用了无刷设计,即没有传统的电刷。
因此,无刷直流电机的主要组成部分包括:定子、转子、霍尔传感器、电子控制器和轴承等。
其中,定子和转子是电机的核心部件,霍尔传感器用于检测转子的转速,电子控制器则负责控制电机的运行,轴承则保证了电机的正常运转。
2.2 无刷直流电机的工作原理无刷直流电机的工作原理与有刷直流电机类似,也是通过电磁感应原理实现的。
当电流通过定子线圈时,会产生一个磁场,这个磁场会与转子上的永磁体相互作用,使转子产生旋转力矩。
由于无刷直流电机采用了无刷设计,因此不需要传统的电刷来实现换向。
相反,霍尔传感器会实时监测转子的转速,并将这些信息传递给电子控制器。
电子控制器根据这些信息来判断是否需要进行换向操作,从而实现连续不断地转动下去。
三、总结有刷直流电机和无刷直流电机虽然在结构上有所不同,但其工作原理都是基于电磁感应原理。
有刷直流电机通过电刷在换向器表面产生摩擦力来实现换向和连续转动;而无刷直流电机则采用霍尔传感器和电子控制器来实现换向和连续转动。
永磁无刷直流电机的构造永磁无刷直流电机是一种重要的电动机类型,其构造与传统的有刷直流电机有所不同。
在本文中,我们将深入探讨永磁无刷直流电机的构造,了解其工作原理以及与其他类型电机的区别。
一、永磁无刷直流电机的构造永磁无刷直流电机由多个关键组件构成,包括转子、定子和电子调速器。
下面我们将逐一介绍这些部件的功能和特点。
1. 转子转子是电机中的旋转部分,由永磁体和轴承组成。
其中,永磁体通常由稀土永磁材料制成,具有较高的磁场强度和矫顽力,能够提供较大的转矩。
轴承则用于支撑转子的转动,通常采用滚珠轴承或磁悬浮轴承。
2. 定子定子是电机中的固定部分,由线圈、铁心和绕组等组成。
线圈通常由导电材料绕制而成,绕制方式包括单层绕组和多层绕组。
铁心则用于增强磁场,并且通过绕组与转子的磁场相互作用,实现电能到机械能的转换。
3. 电子调速器电子调速器是永磁无刷直流电机的控制中枢,通过电子器件对电机的电流进行控制和调节。
常见的电子调速器包括三相桥式整流器、逆变器和控制芯片等。
电子调速器通过控制转子上的永磁体和定子上的绕组之间的电流关系,实现对电机转速和扭矩的精准调控。
二、永磁无刷直流电机的工作原理永磁无刷直流电机的工作原理基于磁场的相互作用,其具体过程如下:1. 磁场形成当电流通过定子绕组时,会在定子和转子之间产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场由定子绕组的电流和转子上的永磁体形成。
2. 磁场相互作用转子上的永磁体与定子绕组之间的磁场相互作用,导致转子受到力矩的作用而开始旋转。
这个力矩的大小与磁场强度、永磁体形状和绕组电流等因素有关。
3. 电子调速器控制电子调速器通过控制定子绕组的电流和磁场强度,可以实现对电机转速和扭矩的调节。
通过改变电子调速器的工作方式,可以实现电机的正转、反转和调速等功能。
三、永磁无刷直流电机与其他电机的区别与传统的有刷直流电机相比,永磁无刷直流电机具有以下特点:1. 无刷结构永磁无刷直流电机采用了无刷结构,消除了传统电机中刷子的使用,减少了能量损耗和机械磨损,并提高了电机的可靠性和寿命。
直流无刷电动机工作原理与控制方法直流无刷电动机(Brushless DC Motor,简称BLDC)是一种基于电磁力作用实现机械能转换的电机。
与传统的有刷直流电动机相比,BLDC 电机不需要传统的用于换向的有刷子和槽型换向器,具有寿命长、效率高和维护方便等优点。
BLDC电机广泛应用于工业自动化、电动车辆、航空航天等领域。
BLDC电动机的工作原理如下:1.结构组成:BLDC电动机主要由转子、定子和传感器组成。
2.定子:定子是由硅钢片叠压而成,上面布置有若干个线圈,通电后产生磁场。
3.转子:转子上布置有磁铁,组成多个极对,其中每个极对由两个磁体构成。
4.传感器:BLDC电机中通常搭配有霍尔传感器或者编码器,用于检测转子位置,实现无刷电机的精确控制。
BLDC电动机的控制方法如下:1.转子位置检测:通过霍尔传感器或编码器检测转子位置,以便控制电机的相电流通断和电流方向。
2.电流控制:根据转子位置信息,利用控制算法控制电机的相电流,将电流引导到正确的相位上以实现电机的转动。
3.电压控制:根据电机转速需求,控制电机的进给电压,调整电机转速。
4.速度控制:通过调整电机的进给电压和相电流,使电机达到所需的速度。
5.扭矩控制:通过控制电机的相电流大小,控制电机的输出扭矩。
BLDC电机的控制可以分为开环控制和闭环控制两种方式:1.开环控制:根据电机的数学模型和控制算法,在事先给定的速度范围内,根据转子位置信息和电机参数计算出合适的相电流和电压进行控制。
开环控制简单,但无法实现高精度的转速和位置控制。
2.闭环控制:通过传感器实时检测转子位置和速度,在控制算法中进行比较,调整相电流和电压,使电机输出所需的速度和扭矩。
闭环控制可以实现高精度的转速和位置控制,但相对于开环控制,需要更多的硬件和软件支持。
总结起来,BLDC电动机通过转子位置检测和电流控制实现高精度的转速和位置控制。
在控制方法上,可以采用开环控制或闭环控制,根据具体应用的需求选择合适的控制方式。
直流无刷电机驱动原理直流无刷电机(Brushless DC Motor,简称BLDC)是一种通过电子器件控制转子转动的电机。
与传统的有刷直流电机相比,直流无刷电机具有结构简单、寿命长、效率高等优点,因此在许多领域得到广泛应用,如家电、汽车、航空航天等。
直流无刷电机的驱动原理主要包括电机结构、电机控制器和传感器三个方面。
首先,直流无刷电机的结构由转子和定子组成。
转子上的永磁体产生磁场,而定子上的线圈通过电流产生磁场。
当电流通过定子线圈时,定子磁场与转子磁场相互作用,产生转矩,从而驱动转子转动。
其次,直流无刷电机的控制器是实现电机转动的关键。
控制器主要由功率电子器件和控制电路组成。
功率电子器件包括MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极型晶体管),用于控制电流的通断。
控制电路则根据传感器反馈的信息,控制功率电子器件的开关状态,从而实现对电机的控制。
最后,直流无刷电机的传感器用于检测电机的转子位置和速度。
常用的传感器有霍尔传感器和编码器。
霍尔传感器通过检测转子磁场的变化,确定转子位置。
编码器则通过检测转子的旋转角度和速度,提供更精确的转子位置和速度信息。
传感器的反馈信息被送回控制器,用于控制电机的转动。
总结起来,直流无刷电机的驱动原理是通过控制器控制功率电子器件的开关状态,使电流按照一定的顺序流过定子线圈,从而产生转矩驱动转子转动。
传感器则用于检测转子位置和速度,提供反馈信息给控制器,实现对电机的精确控制。
直流无刷电机驱动原理的应用非常广泛。
在家电领域,直流无刷电机被广泛应用于洗衣机、冰箱、空调等产品中,提高了产品的效率和可靠性。
在汽车领域,直流无刷电机被用于驱动电动汽车的电机,实现零排放和高效能。
在航空航天领域,直流无刷电机被用于驱动飞机的舵机和飞行控制系统,提高了飞行的稳定性和安全性。
总之,直流无刷电机驱动原理是一种高效、可靠的电机驱动方式。
通过控制器和传感器的配合,实现对电机的精确控制,使其在各个领域发挥出更大的作用。
无刷直流电动机简介和基本工作原理无刷直流电动机简介和基本工作原理无刷直流电动机简介直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。
是将交流电源整流后变成直流,再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。
无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。
无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性,更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。
基本工作原理无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。
同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。
而转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。
驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置,所以不论转子的起始位置处在何处,电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩,因此转子上不需另设启动绕组。
由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直,在铁芯不饱和的情况下,产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比,这正是他励直流电动机的电流—转矩特性。
无刷直流电机的组成及工作原理2.1 引言直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成,电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成,而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。
工作时,控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管,进行有序换流,以驱动直流电动机。
下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。
2.2 无刷直流电机的组成2.2.1 电动机本体无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样,但它的电枢绕组放在定子上,转子采用的重量、简化了结构、提高了性能,使其可*性得以提高。
无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的,磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段:铝镍钴,铁氧体磁性材料,钕铁硼(NdFeB)。
钕铁硼有高磁能积,它的出现引起了磁性材料的一场革命。
第三代钕铁硼永磁材料的应用,进一步减少了电机的用铜量,促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。
目前,为提高电动机的功率密度,出现了横向磁场永磁电机,其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直,电机中的主磁通沿电机轴向流通,这种结构提高了气隙磁密,能够提供比传统电机大得多的输出转矩。
该类型电机正处于研究开发阶段。
2.2.2 电子换相电路控制电路:无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件,来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机,包括过流、过压、过热等保护。
控制电路最初采用模拟电路,控制比较简单。
如果将电路数字化,许多硬件工作可以直接由软件完成,可以减少硬件电路,提高其可靠性,同时可以提高控制电路抗干扰的能力,因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。
驱动电路:驱动电路输出电功率,驱动电动机的电枢绕组,并受控于控制电路。
驱动电路由大功率开关器件组成。
正是由于晶闸管的出现,直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。
但由于晶闸管是只具备控制接通,而无自关断能力的半控性开关器件,其开关频率较低,不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。
直流无刷电机的拆解和工作原理直流无刷电机是一种常见的电机类型,它具有高效率、低噪音、寿命长等特点,在工业、交通工具、家电等领域广泛应用。
下面将对直流无刷电机的拆解和工作原理进行详细介绍。
一、直流无刷电机的拆解1. 拆除外壳:首先,需要拆除电机的外壳,这通常可以通过拆卸螺钉或者卡扣来完成。
2. 拆除转轴:接下来,需要将电机的转轴取出。
转轴通常是通过固定在内部的轴承来支撑的,可以通过拆卸轴承或者直接拔出转轴来完成。
3. 拆卸转子:将电机的转子取出。
转子一般由多个磁铁组成,并围绕着转轴旋转。
可以通过拆卸转瞬间来完成。
4. 拆卸定子:定子是电机的固定部分,通常由一组线圈组成。
可以通过拆卸线圈和绕组来完成。
5. 拆卸电刷:直流无刷电机的电刷是与电机转子接触并通过电流传递的部分。
可以通过拆卸电刷来完成。
二、直流无刷电机的工作原理直流无刷电机的工作原理可以分为三个部分:转子、定子和电子控制部分。
1. 转子部分:直流无刷电机的转子通常由一组磁铁组成,磁铁的极性会随着转子的转动而不断改变。
转子内部有固定的传感器,能够感应到磁铁的极性变化。
2. 定子部分:直流无刷电机的定子由一组线圈和绕组组成。
线圈被安装在定子的铁芯上,通过电流进入线圈,会产生磁场。
定子的线圈通常与转子的磁铁相对应。
3. 电子控制部分:直流无刷电机的电子控制部分通常由电机控制器和传感器组成。
电机控制器根据传感器反馈的信息,控制电流的方向和大小,以调整转子和定子的磁场,从而控制电机的转动。
传感器会感知到转子磁铁的位置,并将这些信息传递给电机控制器。
直流无刷电机的工作原理可以简单概括为:电流通过定子线圈产生磁场,磁场与转子磁铁相互作用,引起转子旋转。
电机控制器根据传感器的反馈,调整电流的方向和大小,以控制电机的运动。
三、直流无刷电机的特点和应用1. 高效率:直流无刷电机的效率通常在80%以上,比传统的直流有刷电机效率更高。
2. 低噪音:直流无刷电机没有刷子的摩擦和电火花产生的噪音,运行更加平稳安静。
直流无刷电机工作原理直流无刷电机是一种高效、低噪音、高速度、高精度的电动机,广泛应用于各种领域,如汽车、家电、工业自动化、机器人等。
本文将介绍直流无刷电机的工作原理,包括电机结构、电机控制、电机特性等方面。
一、电机结构直流无刷电机的结构与传统的直流有刷电机有所不同,它采用了永磁体和电子换向器代替了传统的电刷和换向环。
这种结构使得电机具有了更高的效率、更低的噪音和更长的寿命。
直流无刷电机通常由转子、定子、电子换向器、永磁体和传感器等组成。
其中,转子是电机的旋转部分,定子是电机的静止部分。
电子换向器是控制电机电流和电压的电路,永磁体是电机的磁场源,传感器用于检测转子的位置和速度。
二、电机控制直流无刷电机的控制是通过电子换向器实现的。
电子换向器根据传感器反馈的转子位置和速度信息,控制电机的相序和电流大小,从而使转子保持旋转。
电机的相序是指电流流向相邻三个电机线圈的顺序。
换向器根据传感器反馈的转子位置信息,控制电流的流向,使得相邻三个线圈依次被通电,从而产生旋转力矩。
电流大小则决定了电机的转矩大小和速度。
三、电机特性直流无刷电机具有许多优点,如高效率、高速度、高精度、低噪音等。
其电机特性主要包括转速-转矩特性、效率-负载特性、电流-转速特性等。
转速-转矩特性是指电机在不同负载下的转速和转矩关系。
通常情况下,电机的转速随着负载的增加而降低,而转矩则随着负载的增加而增加。
效率-负载特性是指电机在不同负载下的效率和负载关系。
电机的效率随着负载的增加而降低,而负载则随着负载的增加而增加。
电流-转速特性是指电机在不同电流下的转速和电流关系。
电机的转速随着电流的增加而增加,而电流则随着电流的增加而增加。
四、总结直流无刷电机是一种高效、低噪音、高速度、高精度的电动机,广泛应用于各种领域。
其工作原理是通过电子换向器控制电机的相序和电流大小,从而使转子保持旋转。
电机特性主要包括转速-转矩特性、效率-负载特性、电流-转速特性等。
无刷直流电机工作原理无刷直流电机,也称为永磁同步电机,是一种使用永磁体作为励磁源,通过电子器件将电流进行控制的直流电机。
相比传统的刷式直流电机,无刷直流电机具有效率高、寿命长、无电刷磨损等优点,因此在许多领域被广泛应用。
一、无刷直流电机的基本原理无刷直流电机的基本原理是电磁互作用,通过电流在永磁体和绕组之间产生的磁场相互作用,在转子上产生驱动转动的力。
在无刷直流电机中,永磁体通常置于定子上,通过外加直流电源进行励磁。
转子上的绕组被称为“驱动绕组”,通过在驱动绕组中施加不同的电流,可产生不同的磁场。
二、无刷直流电机的基本结构无刷直流电机主要由转子、定子、传感器、控制器等组成。
1. 转子:转子是无刷直流电机的旋转部分,通常由永磁体和绕组组成。
永磁体的磁场与定子绕组的磁场相互作用,产生旋转力。
2. 定子:定子是无刷直流电机的静止部分,通常包括固定的绕组和铁芯。
定子绕组通过外加的电流产生磁场,与转子的磁场相互作用,驱动转动。
3. 传感器:传感器用于检测转子位置和速度等信息,并将其反馈给控制器。
常见的传感器包括霍尔传感器、光电传感器等。
4. 控制器:控制器是无刷直流电机的核心部件,用于根据传感器反馈的信息,控制驱动绕组的电流,从而实现转子的精准控制。
三、无刷直流电机的工作过程无刷直流电机的工作过程可以分为电气转子和机械转子两个阶段。
1. 电气转子阶段:在电气转子阶段,控制器根据传感器反馈的转子位置信息,确定要施加给驱动绕组的电流。
根据电流的方向和大小,驱动绕组上的磁场与定子磁场相互作用,产生转矩。
在电气转子阶段,控制器会周期性地改变驱动绕组上的电流方向和大小,以确保转矩的连续性和平稳性。
通过精密的控制,无刷直流电机可以实现精准的速度和位置控制。
2. 机械转子阶段:在电气转子阶段完成后,转子进入机械转子阶段。
在机械转子阶段,转子受到的驱动力逐渐减小,最终达到平衡状态。
此时,无刷直流电机转子的运动速度和位置由外界负载和机械特性决定。
有刷直流电机和无刷直流电机的结构及工作原理嘿,伙计们!今天我们来聊聊有刷直流电机和无刷直流电机的结构及工作原理。
你们知道吗,这两种电机在我们的日常生活中可是随处可见哦!比如说,电动车、电动工具、家用电器等等,都离不开它们的帮助。
那么,它们到底是怎么工作的呢?别着急,我们一一来了解。
我们来看看有刷直流电机。
有刷直流电机的名字里的“刷”字可不简单,它其实是用来给转子上的导体刷上润滑油的。
这个润滑油叫做电刷,它的作用就是让转子和定子之间的电流顺利地流通。
但是,你可能会问:“为什么不能直接让电流流过去呢?”这是因为,如果没有电刷,电流就会在转子和定子之间产生很大的阻力,导致电机效率低下。
所以,为了提高效率,人们就发明了有刷直流电机。
有刷直流电机的结构其实很简单,主要由定子、转子和电刷组成。
定子上有三个绕组,分别是励磁绕组、主绕组和辅助绕组。
励磁绕组负责产生磁场,主绕组和辅助绕组则负责将电能转换为机械能。
转子上也有三个绕组,分别是永磁绕组、电枢绕组和换向器。
永磁绕组负责产生磁场,电枢绕组则负责接收主绕组产生的电能,而换向器则负责改变电枢绕组中的电流方向,使得转子能够持续旋转。
接下来,我们再来看看无刷直流电机。
无刷直流电机的名字里的“无刷”字就说明了它的一个特点:没有电刷。
这是因为无刷直流电机采用了一种叫做“电子换向器”的装置来代替传统的电刷。
电子换向器内部有一个叫做电磁传感器的元件,它可以感知到转子的磁场变化,并及时控制电流的方向。
这样一来,就可以避免因为电刷磨损或者接触不良而导致的故障,大大提高了电机的可靠性。
无刷直流电机的结构也相对简单,主要包括定子、转子和霍尔传感器。
定子上有两个绕组,分别是励磁绕组和永磁绕组。
励磁绕组负责产生磁场,永磁绕组则负责保持磁场稳定。
转子上有一个永磁体和一个电磁铁。
永磁体负责产生磁场,而电磁铁则负责接收霍尔传感器发出的信号,从而控制电流的方向。
好了,现在我们已经知道了有刷直流电机和无刷直流电机的结构及工作原理。
三相无刷直流电机系统结构工作原理一、系统结构1.电机本体:三相无刷直流电机由定子和转子两部分组成。
定子由三个相位的线圈组成,线圈之间呈120度电角度偏移,形成三相交错磁场。
转子由永磁体组成,通过磁铁吸引和排斥作用与定子交互作用,从而实现转动。
2.电机驱动器:电机驱动器是电机控制系统的核心部分,主要由功率电子器件(MOSFET、IGBT等)和控制电路组成。
驱动器的主要功能是将输入电源的直流电转换为交流电,控制电流和电压的大小和方向,并控制开关动作,实现对电机转矩和速度的精确控制。
3.电机控制器:电机控制器是系统的智能控制部分,主要由控制算法、传感器和接口电路组成。
控制器根据输入信号和传感器反馈信号实时调整驱动器的输出,控制电机的转矩和速度,并根据需要实现正反转、加减速、过流保护等功能。
二、工作原理1.电磁感应原理:当电机外加电压施加在定子线圈上时,通过定子线圈产生的交错磁场与转子永磁体的磁场相互作用,产生电磁感应力,将电能转换为机械能。
2.电流反馈原理:三相无刷直流电机通过电流传感器实时监测和反馈驱动电流,以实现电机转矩和速度的闭环控制。
控制器根据电流反馈信号调节驱动器的输出电压和频率,实现对电机的精确控制。
具体工作过程如下:(1)起动过程:当电机启动时,控制器向驱动器发送起始脉冲信号,驱动器将输入直流电压转换为三相交流电压,形成旋转磁场,推动转子开始转动。
(2)速度控制过程:控制器通过调节驱动器的输出电压和频率,控制电机的转矩和速度。
当控制器需求增加转矩或速度时,通过增加驱动器的输出电压和频率实现;当控制器需求减小转矩或速度时,通过减小驱动器的输出电压和频率实现。
(3)回馈控制过程:电流传感器实时监测和反馈电机驱动电流的大小,控制器根据电流反馈信号调整驱动器的输出,实现电机转矩和速度的闭环控制。
当电机负载变化或工作环境发生变化时,控制器根据电流反馈信号及时调整电机驱动参数,保持电机的稳定运行。
(4)保护机制:电机控制器还包含了多种保护功能,如过流保护、过压保护和过温保护等,以保证电机系统的安全运行。
无刷直流电机结构、类型和基本原理 2009年10月14日 无刷直流电动机 一、概述 直流电动机的主要优点是调速和启动特性好,堵转转矩大,被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是,直流电动机都有电刷和换向器,其间形成的滑动机械接触严重地影响了电动机的精度、性能和可靠性,所产生的火花会引起无线电干扰。缩短电动机寿命,换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难,长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。 随着电子技术的迅速发展,各种大功率电子器件的广泛采用,这种愿望已被逐步实现。本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器,使这种电动机既具有直流电动机的特性。又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点;它的转速不再受机械换向的限制,若采用高速轴承,还可以在高达每分钟几十万转的转要中运行。 元刷直流电动机用途非常广泛,可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用,尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体,把先进的电子技术应用于电机领域,这将促使电机技术更新、更快地发展。 二、无刷直流电动机的基本结构和类型 (一)基本结构 无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机,就其基本组成结构而言.可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。其基本结构如图5一20所示。 电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机.它包括主定子和主转子两部分,主定子上放置空间互差120。的三相对称电枢绕组Ax、BY、cz,接成星形或三角形,主转子是用永久磁钢制成的一对磁极。转子位置传感器也由定子、转子两部分组成。定子安装在主电动机壳内,转子和主转子同轴旋转。它的作用是把主转子的位置检测出来.变成电信号去控制电子开关电路,故也称转子位置检测器。电子开关电路中的功率开关元件分别与主定子上各相绕组相连接.通过位置传感器输出的信号,控制三极管的导通和截止.从而使主定子上各相绕组中的电流也随着转子位置的改变,按一定的顺序进行切换,实现无接触式的换向。 l.电机本体 元刷直流电动机是将普通直流电动机的定予与转子进行了互换。其转子为永久磁铁,产生气隙磁通:定子为电枢,由多相绕组组成。在结构上,它与永磁同步电动机类似。 无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同.在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等).绕组可接成星形或三角形,并分别与逆变器的各功率管相连,以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料,由于磁极中磁性材料所放位置的不同.可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机,所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。 2.转子位置传感器 转子位置传感器是无刷直流电动机的一个关键部件。可根据不同的原理构成如电磁感应式、光电式、磁敏式等多种不同的结构形式。其中,电磁感应式工作可靠,维护简便,寿命长.所以应用较多。它决定着电枢各相绕组开始通电的时刻。它的作用相当于一般直流电动机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻(相位).相当于直流电动机中改变电刷在空间的位置,对无刷直流电动机的特性有很大的影响。 位置传感器一般也由定子和转子两部分组成。转子是用来确定电动机本体磁极的位置,定子的安放是为了检测和输出转子的位置信号。传感器种类较多.且各具特点。目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有以下几种形式。 (1)电磁式位置传感器。是一种利用电磁效应来实现位置测量的传感元件,有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种形式,其中开_j变压器使用较多。 电磁感应式转子位置传感器原理如图j 2l所示。其定子由原边线圈与副边线圈绕在同一铁芯组成,转子则由一个具有一定角度(近似电动机的导通角)的导磁捌料组成,该导磁材料可由铁氧体或硅钢片制成。在线圈的原边wl端输入高频激磁信号.在副边线圈中感应出耦合转子铁芯与定子铁芯相对位置的输出信号,图中的wa经过电子线路处理,变成与电动机定子、转子位置相对应的电平信号,再经整形处理,就得到了电动机的换向信号。而没有耦合转子铁芯的定子线圈Wb、Wc均无信号输出。 电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点,但这种传感器信噪比较低.体积较大.而且其输出波形为交流,一般需经整流、滤波后方可使用,因而极大地限制了其在普通情况下的应用。 (2)磁敏式位置传感器。磁敏传感器利用电流的磁效应进行工作,所组成的位置检测器由与电机同轴安装、具有与电机转子同极数的永磁检测转子和多只空问均匀分布的磁敏元件构成。目前常用的磁敏元件为霍尔元件或霍尔集成电路,它们在磁场作用下会产生霍尔电 势,经整形、放大后即可输出所需电平信号,构成了原始的位置信号。图5-22为霍尔集成电路及其开关型输出特性。 为了获得三组互差120°电角度、宽180度电角度的方波原始位置信号。需要3只在空间
互差机械角度分布霍尔元件,其中户为电机极对数。图5-23给出了一台四极电动机的霍尔位置检测器完整结构,3个霍尔元件Hl、H2、H3在空间互差60°机械角度分布。当永磁检测转子依次经过霍尔元件时。根据极性的不同,产生出三相互差120°电角度、宽180°电角度的方波位置信号,它正好反映了同轴安装的电动机转子磁极的空间位置信息。经整形电路和逻辑电路后,输出6路功率电子开关的触发信和逻辑电路号。霍尔位置检测器是永磁无刷直流电动机中采用较多的一种。
(3)光电式位置传感器和光电式位置传感元件的结构。这是一种利用与电动机转子同轴安装、带缺口旋转圆盘对光电元件进行通、断控制.以产生一系列反映转子空间位置脉冲信号的检测方式。由于三相永磁元刷直流电动机一般每l/6周期换相一次,因此只要采用与电磁式或霍尔式位置检测相似的简单检测方法即可,不必采用光电编码盘的复杂方式。简单光电元件的结构如图5一24所示.由红外发光二极管和光敏三极管构成。当元件凹槽内光线被圆盘挡住时,光敏三极管不导通:当凹槽内光线 由圆盘缺口放过时,光敏三极管导通.以此输出开关型的位置信号。圆盘缺口弧度及光电元件空间布置规律和开口变压器式位置检测器相同。 除了以上3种位置传感器外,还有正、余弦旋转变压器和光电编码器等其他位置传感元件,但成本高、体积大、线路复杂,较少采用。由于位置检测器有机械安装、维护及运行可靠性等问题.因此近期来出现了元位置检测器。 元位置传感器检测技术的成功运用解决了位置传感器安装难的问题,而且减小了体积,提高了可靠性,受到了国内外的普遍关注。目前较为常用的方法有:反电动势检测法、续流二极管工作方式检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。 必须注意:通过各种方法所得到的位置信号一般不能直接用来控制功率管的通断.往往需要经过一定的逻辑处理后才能作用于逻辑控制单元。 3.电子换向电路 无刷直流电动机的电子换相线路是用来控制电动机定子绕组通电的顺序和导通的时间。主要由功率开关管和逻辑控制电路组成.功率开关单元是核心部分.其功能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E的各项绕组,从而使电动机产生持续不断的转矩。控制部分是将通过位置检测得到的信号.根据需要转化成相应的脉冲信号去驱动功率开关管。目前,无刷直流电动机的主开关一般采用IGBT或M0sFET等全控型器件,有些主电路已经有了集成功率模块(PIc)和智能功率模块(IPM),它们的应用可以使整个系统的呵靠性大幅度提高。 (=)无刷直流电动机的类型 近年来出现的元刷直流电动机,用晶体管开关电路和位置传感器代替电刷和换向器。无刷直流电动机的类型按晶体管开关电路的不同可分为桥式和非桥式两种;按所使用的位置传感器形式的不同可分为光电式、电磁式、磁敏元件式和接近开关式等。 三、无刷直流电动机的基本工作原理 在实际应用中,永磁无刷直流电动机多采用三相桥式功率主电路形式,但为了便于说明,先从三相半桥式主电路开始分析其运行原理。 1.三相半桥主电路 图5-25为三相半桥式永磁无刷直流电机(P=1)三只光电式位置传感元件H1 H2 H3 空间互差120°均匀分布,宽180°缺口遮光圆盘与电动机转子同轴安装,调整圆盘缺口与转子磁极的相对位置,使缺口边沿能反映转子磁极的空间位置。
该缺口位置使光电元件H1受光而输出高电平,触发导通功率开关VTl使直流电流流入A相绕组Ax,形成位于A相绕组轴线上的电枢磁势。此时圆盘缺口与转子磁极的相对位置被调整得使转子永相绕组平面磁势Ff位于B相绕组B-X平面上所示,如图5—26(a)所示两者相互作用产生驱动转矩,驱使转子顺时针旋转。当转子磁极转至图5 26(b)所示的位置时,如仍保持A相绕组通电,则电枢磁势Ff的空间角度讲减为30°并继续减小,最终造成驱动转矩消失。然而由于同轴安装的旋转圆盘同步旋转,此时正好使光电元件H2受光,H1遮光,从而功率开关VT2导通,电流从A相绕组断开转而流人B相绕组B-Y,电流换相,电枢磁势变为Fb它又在旋转方向上重新领先永磁磁势Ff150°相,两者相互作用产生驱动转矩,驱使转子顺时针继续旋转。当转子磁极旋转到图5—26(c)所示的位置时,同理又发生电枢电流从B相向c相的换流,保证了电磁转矩的持续产生和电动机的继续旋转,直至重新回到图5—26(d)或图5-26(a)的起始位置。
可以看出,由于同轴安装转子位置检测圆盘的作用,定子各相绕组在位置检测器的控制下依次馈电,其相电流为120°宽的矩形波,如图5—27所示。这样的三相电流使得定子绕组产生的电枢磁场和转动中的转子永磁磁场在空间始终能保持近似垂直的关系,为最大限度地产生转矩创造了条件。同时也可以看出.经历换相过程的定子绕组电枢磁场不是匀 速旋转磁场而是跳跃式的步进磁场,转子旋转一周的范围内有3种磁状态,每种状态持续1/3周期(120。电角度).如图5 26中FA、FB、Fc所示。可以想象,由此产生的电磁转矩存在很大的脉动.尤其低速运行时会使转速波动。为了解决这个问题,只有增加转子一周内的磁状态数,此时应采用三相桥式主电路结构。