無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換向裝置
張 麗(雞西大學(xué) 158100)
1 引 言
近年，在我國使用吸塵器的家庭日益增加，隨著人民生活水平的提高，吸塵器將得到普及。然而，我國吸塵器用無刷直流電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)與需求是不適應(yīng)的，市場(chǎng)上銷售的吸塵器多采用國外電動(dòng)機(jī)組裝，因國產(chǎn)的吸塵器用無刷直流電動(dòng)機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)存在振動(dòng)大、換向火花大、電刷使用壽命短、噪聲大等問題，用改變電動(dòng)機(jī)的槽口設(shè)計(jì)、提高軸承質(zhì)量、優(yōu)化電刷設(shè)計(jì)和提高裝配工藝等方法來解決上述所存在的問題收到的效果很小。電機(jī)在的這些弊端主要來源于有接觸的換向器——機(jī)械換向裝置，若采用電子換向裝置來代替機(jī)械換向裝置的無刷電動(dòng)機(jī)，就可有效地解決電機(jī)中由于接觸換向所帶來的一系列問題。同時(shí)，由于吸塵器對(duì)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性沒有過高的要求，可以避開無刷電動(dòng)機(jī)的缺陷。本文介紹無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換向裝置。
2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理
無刷直流電動(dòng)機(jī)用****磁鋼作為轉(zhuǎn)子，電樞繞組裝在定子上，其內(nèi)部的電磁過程與有刷直流電機(jī)無大區(qū)別。有刷電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的電樞和固定的磁路，是依靠電樞磁勢(shì)與主磁磁勢(shì)相互垂直以產(chǎn)生大的電磁轉(zhuǎn)矩。而電樞磁勢(shì)的建立是由一個(gè)滑動(dòng)的接觸裝置——電刷和換向器，牙能將電流饋給旋轉(zhuǎn)的電樞。在無刷電動(dòng)機(jī)中，用可以旋轉(zhuǎn)的****磁鋼作主磁極（轉(zhuǎn)子），將安裝在定子上的電樞繞組與電子開關(guān)元件相連接，為了獲得一定的電磁轉(zhuǎn)矩，主磁極磁勢(shì)與定子繞組所產(chǎn)生的磁勢(shì)應(yīng)保持一定的矢量差角，當(dāng)矢量角為90度時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩****，所以，應(yīng)使矢量根據(jù)矢量所轉(zhuǎn)動(dòng)的位置而變動(dòng)位置，在無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部應(yīng)有一個(gè)位置傳感器，它可以隨時(shí)測(cè)出轉(zhuǎn)子（主磁極）的位置，用測(cè)得的信號(hào)控制電子開關(guān)元件，使與開關(guān)元件相連接的定子繞組產(chǎn)生一個(gè)跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，以控制磁勢(shì)與主磁極磁勢(shì)的相對(duì)位置在一定范圍內(nèi)變化，這樣，電動(dòng)機(jī)就可以獲得一定量的動(dòng)轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩），使永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，無刷電機(jī)的電子換向裝置是由位置傳感器和具有電子開關(guān)元件的電子線路構(gòu)成。
 在無刷電動(dòng)機(jī)中（原理圖見圖1），定子繞組對(duì)稱分布在定子圓周表面，若定子繞組作星形連接，每相繞組出線端與開關(guān)元件相連后接直流電源。如果用三個(gè)霍爾元件作位置傳感器，分別放在定子槽口的適當(dāng)位置，它們所得到的信號(hào)經(jīng)放大電路放大后，分別輸送給與a、b、c三相連接的電子開關(guān)元件的控制端，以便控制元件的關(guān)斷。
當(dāng)****磁極處在a相傳感器能接到信號(hào)的位置時(shí)，a相傳感器就有信號(hào)輸出，使與a相繞組連接的開關(guān)元件導(dǎo)通，a相繞組通電后產(chǎn)生一磁勢(shì)，正好與磁極磁勢(shì)有一定的矢量角，產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩，使磁極向方向旋轉(zhuǎn)。見圖2a。當(dāng)磁極轉(zhuǎn)過120度電角度時(shí)，f與fo重合，電磁轉(zhuǎn)矩不為零，此時(shí)，a相傳感器的信號(hào)消失，a相的元件關(guān)斷，b相傳感器得到信號(hào)輸出，使與b相繞組連接的開關(guān)元件導(dǎo)通，定子電樞磁勢(shì)的位置由a相繞組軸線跳到b相繞組的軸線，這時(shí)又建立一個(gè)新的位置關(guān)系，使磁極保持旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，見圖2b。待磁極再轉(zhuǎn)過120度電角度后，b相傳感器的信號(hào)消失，c相傳感器得到信號(hào)；f又跳到c相繞組軸線位置，再產(chǎn)生一個(gè)位置關(guān)系，保持了電磁轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)變化，使轉(zhuǎn)子能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，見圖2c。因此，只要根據(jù)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的不同位置，以恰當(dāng)?shù)捻樞蛉ソ油ê完P(guān)斷各相出線端所聯(lián)接的開關(guān)元件，保持磁極磁勢(shì)滯后電樞磁勢(shì)一定電角度的位置關(guān)系，使無刷電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而穩(wěn)定運(yùn)行。
3 無刷電動(dòng)機(jī)電子換向裝置的線路
采用的位置傳感器為霍爾集成電路ugn3020，它是霍爾元件和放大用集成電路的組合，如圖3所示。
當(dāng)所加磁場(chǎng)方向如圖3b所示時(shí)，從n垂直進(jìn)入s，霍爾元件兩端產(chǎn)生一個(gè)霍爾電勢(shì)，經(jīng)放大整形后變?yōu)榉颠_(dá)數(shù)伏的數(shù)字信號(hào)輸出。若所加的磁場(chǎng)為梯形波時(shí)，輸出的波形如圖4所示。
采用功率mos管(vmos)作開關(guān)元件，vmos管輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)電流極小，此外，它是多數(shù)載流子器件，沒有雙極型功率管所固有的“存貯效應(yīng)”，因而消除了開關(guān)管的共態(tài)導(dǎo)通，降低了損耗，使無刷電動(dòng)機(jī)工作可 |
