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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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，
8、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
9、磁元刷直流电动机一般每 l6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
10、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
11、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
12、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526(a)所示两者相互作用产生驱动转矩，驱使转子顺时针旋转
13、。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526(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526(d)或图5-26(
14、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527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13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
15、三相桥式主电路结构。 2三相桥式主电路三相桥式主电路如图5一28所示，功率电子开关为标准三相桥式结构，上桥臂元件 VTl、 VT3、VT5给各相绕组提供正向电流，产生正向电磁转矩；下桥臂元件 VT4、VT6、VT2 给各相绕组提供反向电流，在相同极性转子永磁磁场作用下将产生反向电磁转矩。功率元件通电方式有两两通(120。导通型 )和三三通电(180。导通型) ，其输出转矩大小不同。(1)两两通电方式。所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔16周期(60)电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，不同桥臂之间左右换相。每个功率管导通120电角度。功率管的导通顺序依次为：vTl、vT2；
16、vT2、vT3；vT3、vT4；vT4VT5；VT5、VT6；VT6、VTl 在这种通电方式下各导通120电角度，每个相绕组又与两个开关元件相连，各相绕组会在正、反两个方向均流过120宽的方波电流，三相绕组中电流波形如图529所示。 由于任一时刻均有一个上桥臂元件导通使某相绕组获得正向电流产生正转矩，又有一个下桥臂元件导通使另一相绕组获得反向电流产生负转矩，此时的合成转矩应是相关相绕组通电产生的正、负转矩的矢量和，如图530所示。可以看出，合成转矩是一相通电时所产生转矩的3倍，每经过一次换相合成转矩方向转过60电角度。一个输出周期内转矩要经历方向变换6次，从而使转矩脉动比三相半桥主电路时要平缓得多。(2)三三通电方式。所谓三三导通方式是指每一瞬间有 3个功率管导通，每隔 l6周期(60）电角度)换相一次每次换相是同一桥臂的上下管之间换相每个功率管导通180电
