CW32電機控制基礎--無刷直流電機概述

無刷直流電機不使用機械結構的換向電刷而直接使用電子換向器，在使用中有許多優(yōu)點，比如：能獲得更好的扭矩轉速特性、高速動態(tài)響應、高效率、長壽命、低噪聲、高轉速、無換向火花、運行可靠、易于維護等等。無刷直流電機被廣泛的用于日常生活用具、汽車工業(yè)、航空、消費電子、醫(yī)學電子、工業(yè)自動化等裝置和儀表。

本文首先簡單介紹常用電機的結構特點，之后重點對無刷直流電機的工作原理、數(shù)學模型、運行特性等進行詳細的介紹。

常用電機分類及結構特點

電機是一種利用電磁感應定律和電磁力定律，將能量或信號進行轉換或變換的電磁機械裝置。電機在國民經濟的各個領域起著重要作用。在電力工業(yè)中，產生電能的發(fā)電機和對電能進行變換、傳輸與分配的變壓器是電站和變電所的主要設備。在工業(yè)企業(yè)中，人們利用電動機把電能轉換為機械能去拖動各種生產機械，從而滿足生產工藝過程的要求。在交通運輸業(yè)中，需要大量的牽引電動機。在電力排灌、播種、收割等農用機械中，都需要規(guī)格不同的電動機。在品種繁多的家用電器中，也離不開功能各異的小功率電動機。

所以電動機是一種將電能轉換成機械能的裝置，在各個領域都有廣泛的應用。電動機有多種不同的類型，常見分類如表1所示。

表1 常用電機分類

1.1?異步電動機

異步電動機是一種交流電機，主要作為電動機使用。異步電機可以是三相的，也可以是單相的。三相異步電機主要用于工農業(yè)生產，單相異步電動則廣泛用于各種民用電器和電動工具。

這里以三相交流異步電動機為例講解異步電機內部結構。三相異步電動機的基本結構主要由兩部分組成：靜止的定子和旋轉的轉子。定子與轉子之間，留有相對運動所必需的空隙。圖4-1所示的是三相鼠籠式異步電動機的外形和內部結構。

圖1三相鼠籠式異步電動機，(a)外形?(b)內部結構

定子由定子鐵芯、定子繞組、機座及端蓋等組成。在鑄鐵制成的機座內，裝有用硅鋼片疊壓而成的圓筒形鐵芯，鐵芯的內圓周上沖有均勻分布的槽，如圖4-2（a）所示；槽內用來安放三相對稱繞組，如圖4-2（b）所示，繞組與繞組、繞組與鐵芯之間均具有良好的絕緣。根據電動機額定電壓及三相電源電壓的具體情況，三相繞組可以接成星形或三角形。

圖2定子與轉子，(a)定子鐵心?(b)定子繞組 ? ?(c)轉子外形 ? ??(d)鼠籠繞組　(e)鼠籠

轉子的實物圖如圖2（c）所示，由轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸組成。轉子鐵芯的圓形硅鋼片如圖4-2（d）所示，圓形硅鋼片的外圓沖有凹槽，用以放置轉子繞組，其中心沖有圓孔，可以使圓形硅鋼片疊壓在轉軸上。轉子繞組用銅條放在槽內，兩端再用兩個銅環(huán)焊接而成，若不看鐵芯，這些銅條及銅環(huán)就如圖2(e)所示，樣子很像一個鼠籠，所以這種電動機通常又稱為鼠籠式電動機。對于中、小功率的電動機,一般都采用鑄鋁來代替銅條及銅環(huán)。為了提高轉矩，實際轉子上的槽不與轉軸平行，而是相交一定的角度。

異步電機運行時，氣隙中的旋轉磁場與轉子繞組之間存在相對運動，依靠電磁感應作用使轉子繞組中感應電流，產生電磁轉矩，從而實現(xiàn)機電能量轉換。由于轉子轉速與旋轉磁場轉速之間存在差異，故稱異步電機。又因轉子電流是靠電磁感應產生的，因此異步電機也稱為感應電機。從電磁關系方面看，異步電機和變壓器很相似，研究變壓器的許多方法可以用于異步電機。

異步電機與其他各種電機相比，具有結構簡單，運行可靠，價格低兼等優(yōu)點，所以它的用途十分廣泛。在電網的總負荷中，異步電機的用量約占60％以上。但是，異步電機也有一些缺點，主要是：不能經濟地在寬廣的范圍內調速，必須從電網吸取滯后的電流、使電網的功率因數(shù)降低。

1.2 ?直流電動機

直流電動機是指能通過直流電流而產生機械運動的電動機。

直流電機的結構形式很多，但總體上總不外乎由定子(靜止部分)和轉子(運動部分)兩大部分組成。圖3即為普通直流電機的結構圖。直流電機的定子用于安放磁極和電刷，并作為機械支撐，它包括主磁極、換向極、電刷裝置、機座等。轉子一般稱為電樞，主要包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。

圖3直流電機的結構圖，1—風扇?2—機座 ? ?3—電樞 ? ?4—主磁極 ? ?5—刷架，6—換向器?7—接線板 ? ?8—出線盒 ? ?9—換向極 ? ?10—端蓋

1．主磁極

主磁極簡稱主極，用于產生氣隙磁場。絕大部分直流電機的主極都不用永久磁鐵，而是圖4-4所示的結構形式(主極鐵心外套勵磁繞組)，即由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。為降低電機運行過程中磁場變化可能導致的渦流損耗，主極鐵心一般用?1mm～1.5mm?厚的低碳鋼板沖片疊壓而成。極靴與電樞表面形成的氣隙通常是不均勻的，并有極靴中部圓弧與電樞外圓同心、但兩側極尖間隙稍大的同心式氣隙，和極靴圓弧半徑大于電樞外圓半徑的偏心式氣隙兩種。由于電機中磁極的?N?極和?S?極只能成對出現(xiàn)，故主極的極數(shù)一定是偶數(shù)，并且要以交替極性方式沿機座內圓均勻排列。

圖4主磁極

1—主極鐵心 2—極靴 ? ?3—勵磁繞組 ? ?4—繞組絕緣? ?5—機座?6—螺桿 ? ?7—電樞鐵心 ? ?8—氣隙

2．機座

機座的主體是極間磁通路徑的一部分，稱為磁軛。主極、換向器一般都直接固定在磁軛上，如圖5和圖6。機座一般用鑄鋼或用薄鋼板焊接成圓型，如圖3，亦或多邊形，如圖6，磁軛部分也有采用薄鋼板疊壓方式的。通常，電機借機座的底腳部分與基礎固定。

圖5電機中的主極和換向極，1—主極?2—換向極 ? ?3—磁軛

圖6多邊形機座示意圖，1—機座?2—磁軛 ? ?3—主極 ??4—換向極 ? ?5—電樞

3．電樞鐵心

電樞鐵心是用來構成磁通路徑并嵌放電樞繞組的。為了減少渦流損耗，電樞鐵心一般用厚0.35mm～0.5mm?的涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。嵌放繞組的槽型通常有矩形和梨形兩種，如圖4-7。對于小容量電機，鐵心疊片(也叫沖片)盡可能采用整形圓片；而大容量電機則可能要多片拼接，并且還要沿軸向方向分段，段與段之間再設置徑向通風道，以加強冷卻。

需要說明的是，電樞鐵心的軸向通風道是鐵心疊片上預留的通風孔疊壓后形成的，如圖7。

圖7?電樞鐵心沖片，(a)矩形槽?(b)梨形槽

4．電樞繞組

電樞繞組是用來感應電動勢、通過電流并產生電磁力或電磁轉矩，使電機能夠實現(xiàn)機電能量轉換的核心構件。電樞繞組由多個用絕緣導線繞制的線圈連接而成。小型電機的線圈用圓銅線繞制，較大容量時用矩形截面銅材繞制，如圖4-8，各線圈以一定規(guī)律與換向器焊連。導體與導體之間，線圈與線圈之間以及線圈與鐵心之間都要求可靠絕緣。為防止電機轉動時線圈受離心力作用而甩出，槽口要加槽楔固定。唯一例外的是無槽電機，此時電樞繞組均勻敷設在電樞表面，但依然需要牢固綁扎，并且只可能在小容量直流電機中采用。

圖8電樞繞組在槽中的絕緣情況，1—槽楔?2—線圈絕緣 ? ?3—導體

4—層間絕緣?5—槽絕緣 ? ?6—槽底絕緣

5．換向器

換向器的作用是把電樞繞組內的交流電動勢用機械換接的方法轉換為電刷間的直流電動勢。換向器由多片彼此絕緣的換向片構成，有多種結構形式，圖9為最常見的一種。

圖9換向器，1—V形套筒?2—云母環(huán) ? ??3—換向片 ? ??4—連接片

6．電刷裝置

電刷的作用之一是把轉動的電樞與外電路相連接，使電流經電刷進入或離開電樞；其二是與換向器配合作用而獲得直流電壓。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和匯流條等零件構成。

圖10?是電刷的一種結構形式，圖11是一種電刷裝置。

圖10普通的握刷和電刷，1—銅絲辮?2—壓緊彈簧 ??3—電刷 ? ?4—刷盒

圖11普通的電刷裝置，1—電刷?2—刷握 ? ?3—彈簧壓板 ??4—座圈 ? ?5—刷桿

一臺直流電機原則上可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行。

作為直流電動機時，加于直流電動機的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動機電樞線圈流過的電流方向是交變的，從而使電樞產生的磁轉矩的方向恒定不變，確保直流電機朝確定的方向連續(xù)旋轉，這是直流電動機的基本工作原理。

作為發(fā)電機時，同直流電動機一樣，直流發(fā)電機電樞線圈中的感應電動勢的方向是交變的，而通過換向器和電刷的整流作用，在電刷上輸出的電動勢極性是不變的直流電動勢。在電刷之間接上負載，發(fā)電機就能向負載供給直流電能，這是直流發(fā)電機的基本工作原理。

一臺直流電機作為電動機運行還是發(fā)電機運行，取決于外界不同的條件。將直流電源加于電刷，輸入電能，電機能將電能轉換為機械能，拖動生產機械旋轉，作電動機運行；如用原動機拖動直流電機的電樞旋轉，輸入機械能，將機械能轉換為直流電能，從電刷上引出直流電動勢，作發(fā)電機運行。同一臺電機，既能作電動機運行，又能作為發(fā)電機運行的原理，稱為電機的可逆原理。

直流電動機具有過載能力強，起動轉矩和制動轉矩大，易于在較廣范圍實現(xiàn)平滑調速等優(yōu)點，但因其結構復雜、價格高、維修比較困難等，使它的應用受到限制。

隨著電力電子技術的發(fā)展，配以電力電子裝置的交流電動機在許多場合已取代了直流電動機。盡管如此，直流電動機具有良好的起動性能和寬廣平滑的調速特性，因而被廣泛應用于電力機車、無軌電車、軋鋼機、機床和起動設備等需要經常起動并調速的電氣傳動裝置中。

1.3 ?步進電機

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。

步進電機由定子和轉子組成。定子由硅鋼片疊成,有一定數(shù)量的磁極和繞組。轉子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結構。

如圖12所示為一定子結構圖。圖13為一轉子結構圖。

圖12步進電機定子結構圖

電動機定子上有6個等分的磁極，相鄰兩個磁極間夾角為60度，相對的兩個磁極組成一相，當某一繞組有電流通過，則該繞組的兩個磁術立即形成N極、S極。每個磁極上各有5個均勻分布的矩形小齒。

圖13步進電機轉子結構圖

轉子無繞組，轉子上有40個矩形小齒均勻分布在圓周上，當定子某相繞組通電時，對應的磁極產生磁場，和轉子形成磁路。

當定子繞組按一定順序輪流通電時，轉子就沿一定方向一步步轉動。因此步進電動機繞組是按一定通電方式工作的，為實現(xiàn)該種輪流通電，需要將控制脈沖按規(guī)定的通電方式分配到電動機的每相繞組。

圖14步進電機控制系統(tǒng)組成圖

圖14為步進電機控制系統(tǒng)組成圖。其中步進控制器把輸入的脈沖轉換成環(huán)型脈沖，以控制步進電動機，并能進行正反轉控制。功率放大器把步進電動機輸出的環(huán)型脈沖放大，以驅動步進電動機轉動。

當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時還可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

很多步進電機驅動器都支持細分功能，即實現(xiàn)很小的步進角，控制更精確。但是步進電機不適合使用在長時間同方向運轉的情況，容易燒壞產品，即使用時通常都是短距離頻繁動作較佳。

步進電機溫度過高會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此，電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點。一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。

步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。

1.4 ?無刷直流電機

無刷直流電機（Brushless DC Motor，BLDCM）是隨著電子技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電機，它是現(xiàn)代工業(yè)設備中重要的運動部件。無刷直流電機以法拉第的電磁感應定律為基礎，而又以新興的電力電子技術、數(shù)字電子技術和各種物理原理為后盾，具有很強的生命力。

無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器（可有可無）組成。

1．定子

BLDCM定子是由許多硅鋼片經過疊壓和軸向沖壓而成，每個沖槽內都有一定的線圈組成了繞組，可以參見圖4-15所示。從傳統(tǒng)意義上講，BLDCM的定子和感應電機的定子有點類似，不過在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數(shù)的BLDCM定子有?3?個呈星行排列的繞組，每個繞組又由許多內部結合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個繞組分布在定子的周圍組成了偶數(shù)個磁極。

圖15?BLDCM內部結構

BLDCM的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區(qū)別在于由于繞組的不同連接方式使它們產生的反電動勢不同，分別呈現(xiàn)梯形和正弦波形，故用此命名。梯形和正弦繞組產生的反電動勢的波形圖如圖16和圖17所示。

圖16 ?梯形繞組的反電動勢波形

圖17正弦繞組的反電動勢波形

2．轉子

轉子是2至8對永磁體按照N極和S極交替排列在轉子周圍構成的（內轉子型）。如果是外轉子型BLDC，那么就是貼在轉子內壁。轉子磁極排布如圖18所示。

圖18轉子磁極排布

可見，無刷直流電機和直流電機有著很多共同點，定子和轉子的結構差不多（原來的定子變?yōu)檗D子，轉子變?yōu)槎ㄗ樱?，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，有刷直流電機的驅動橋需要4?只功率管，而無刷直流電機的驅動橋則需要6?只功率管）。

無刷直流電機最大特點是沒有換向器和電刷組成的機械接觸機構。因此，無刷直流電機沒有換向火花，壽命長，運行可靠，維護簡便。此外，其轉速不受機械換向的限制，如采用磁懸浮軸承或空氣軸承等，可實現(xiàn)每分鐘幾萬到幾十萬轉的超高轉速運行。

無刷直流電機具有以下的優(yōu)點：

1. 1. 無刷直流電機的外特性好，能夠在低速下輸出大轉矩，使得它可以提供大的起動轉矩；
   2. 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；
   3. 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)；
   4. 無刷直流電機的再生制動效果好，由于它的轉子是永磁材料，制動時電機可以進入發(fā)電機狀態(tài)；
   5. 無刷直流電機的體積小，功率密度高；
   6. 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部，可靠性高；
   7. 無刷直流電機比異步電機的驅動控制簡單。

由于無刷直流電機具有上述一系列優(yōu)點，因此，它的用途比有刷直流電機更加廣泛，尤其適用于航空航天、電子設備、采礦、化工等特殊工業(yè)部門。

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