無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、原理和特性
無刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)和電子驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。電動(dòng)機(jī)部分結(jié)構(gòu)和經(jīng)典交流水磁同步電動(dòng)機(jī)相似。其定子上有多相繞組，轉(zhuǎn)子上鑲有水久磁鐵，山于運(yùn)行的需要，還要有轉(zhuǎn)子位置傳感器。位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)lF磁場(chǎng)軸線和定子相繞組軸線的相對(duì)位置，決定各個(gè)時(shí)刻相繞組的通電狀態(tài)，即決定電子驅(qū)動(dòng)器多路輸出開關(guān)的開／斷狀態(tài)，接通／斷開電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的相繞組。因此，無刷直流電動(dòng)機(jī)可看成是由專門的電子逆變器驅(qū)動(dòng)的有位置傳感器反饋控制的交流同步電動(dòng)機(jī)。從另一角度看，無刷直流電動(dòng)機(jī)可看成是一個(gè)定轉(zhuǎn)子倒置的直流電動(dòng)機(jī)。 一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組在轉(zhuǎn)子卜，永磁體則在
定子上。有刷直流電動(dòng)機(jī)的所謂換向，實(shí)際上是其相繞組的換相過程。它是借助于電刷和換向器來完成的。而無刷直流電動(dòng)機(jī)制相繞組的換相過程則是借助于位置傳感器和逆變器的功率開關(guān)來完成的。無刷直流電動(dòng)機(jī)以電子換向代替了普通直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換同，具有普通直流電動(dòng)機(jī)相似的線眭機(jī)械
特性和線性轉(zhuǎn)矩／電流特性。
(一)結(jié)構(gòu)
無刷直流電動(dòng)機(jī)通常是由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和晶體管開關(guān)電路三部分組成，它的原理框圖和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖分別如圖2-5-1和圖2-5-2所示。
無刷直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上是一臺(tái)反裝的普通直流電動(dòng)機(jī)。它的電樞放置在定子上，水磁磁極位于轉(zhuǎn)子上，與旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)相像。其電樞繞組為多相繞組，各相繞組分別與晶體管開關(guān)電路中的功率開關(guān)元件相連接。其中A相與晶體管v1、B相與v2、c相與V3相接。通過轉(zhuǎn)于位差傳感器，使晶體管的導(dǎo)通和截止完全由轉(zhuǎn)子的位置角所決定，而電摳繞組的電流將隨著轉(zhuǎn)子位置的改變按一定的順序進(jìn)行換流，實(shí)現(xiàn)無接觸式的電子換向。
無刷直流電動(dòng)機(jī)中設(shè)有位置傳感器。它的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相剝于定子繞組的位置，并在確定的位置處發(fā)出信號(hào)控制晶體管元件，使定子繞組中電流換向。位置傳感器有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，如光電式、電磁式、接近開關(guān)式和磁敏元件(霍爾元件)作一簡(jiǎn)要介紹。
光電式位置傳感器是利用光束與轉(zhuǎn)子位置角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，按指定的順序照射光電元件(如光二極管、光三極管、光電池等)，由它發(fā)出電信號(hào)去導(dǎo)通開關(guān)電路中相應(yīng)的晶體管，并使定子繞組電流依此換向。圖2一5-3所示的是一種光電位置傳感器，它用一個(gè)帶有小孔的光屏蔽罩和轉(zhuǎn)軸聯(lián)接在一起，隨同轉(zhuǎn)子圍繞一固定光源旋轉(zhuǎn)，通過安放在對(duì)應(yīng)于定子繞組幾個(gè)確定位置上的光電池(當(dāng)它受到了光束的照射，會(huì)發(fā)出相應(yīng)電信號(hào))，檢測(cè)出定子繞組電流需要換向的確切位置，再由光電池發(fā)出的電信號(hào)去控制晶體管，使相應(yīng)的定子繞組進(jìn)行電流切換。
光電位置傳感器發(fā)出的電信號(hào)一般都較弱，需要經(jīng)過放大才能去控制晶體管。但光電位置傳感器輸出的是直流電壓，不必再進(jìn)行整流，這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
(二)基本原理
下面以一臺(tái)采用晶體管開關(guān)電路進(jìn)行換流的兩極三相繞組、帶有光電位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)為例，說明轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的基本原理。圖2 5—4表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在幾個(gè)不同位置時(shí)定子電樞繞組的通電狀況，并通過電樞繞組磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子繞組磁勢(shì)的相互作用，來分析無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。
(1)當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子處于圖2—5-4瞬時(shí)，光源照射到光電池Pa上，便有電壓信號(hào)輸出，其余兩個(gè)光電池Ph、Pc則無輸出電壓，由Pa的輸出電壓放大后使晶體管Vl開始導(dǎo)通(見圖2—5-2)，而晶體管V2、V3截止。這時(shí)，電樞繞組Ax有電流通過，電樞磁勢(shì)Fa的方向如圖2—5-4(a)所示。電樞磁勢(shì)Fa和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互作用便產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。
(2)當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過2π／3電角度時(shí)，光屏蔽罩也轉(zhuǎn)過同樣角度，從而使光電池Pb開始有電壓信號(hào)輸出，其余兩個(gè)光電池Pa、Pc則無輸出電壓。Pb輸出電壓放大后使晶體管V2開始導(dǎo)通(見圖2—5 2)，晶體管V1、V3截止。這時(shí)，電樞繞組BY有電流通過，電樞磁勢(shì)Fa的方向如圖
2—5 4(b)所示。電樞磁勢(shì)Fa和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。
(3)當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過4π／3電角度時(shí)，光電池Pc使晶體管V3開始導(dǎo)通，V1、V2截止，相應(yīng)電樞繞組CZ有電流通過，電樞磁勢(shì)Fa的方向如圖2 5—4(c)所示。它與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，仍使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方同旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)過2π／3電角度時(shí)，又回到原來的起始位置。這時(shí)通過位置傳感器，重復(fù)上述的電流換向情況。如此循環(huán)進(jìn)行，無刷直流電動(dòng)機(jī)在電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的相互作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，并使電機(jī)轉(zhuǎn)子按一定的方向旋轉(zhuǎn)。
從上述例子的分析可以看出，在這種晶體管開關(guān)電路電流換向的無刷直流電動(dòng)機(jī)中，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過2π電角度，定子繞組共有3個(gè)通電狀態(tài)。每一狀態(tài)僅有一相導(dǎo)通，而其他兩相截止．其持續(xù)時(shí)間應(yīng)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過2π／3電角度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。各相繞組與晶體管導(dǎo)通順序的關(guān)系如表2 5—1所示。各相繞
組中電流的波形如圖2—5 5所示。
(三)特性
由工作原理可知，常規(guī)結(jié)構(gòu)的無刷直流電動(dòng)機(jī)(如雙極性三相Y連接方式)相當(dāng)于一臺(tái)定子和轉(zhuǎn)子倒置的、電樞只有6槽的永磁直流電動(dòng)機(jī)，只不過它的換向器和電刷被位置傳感器和晶體管換向電路替代了。這樣，無刷直流電動(dòng)機(jī)的外特性和參數(shù)與永磁直流有刷電動(dòng)機(jī)相似。
無刷直流電動(dòng)機(jī)電氣方程式為：
式中：μ為外加直流電壓(V)；i為瞬態(tài)電流(A)；Req為等值電阻(Ω)Leq為等值電感(H)；KE為等值電壓常數(shù)(V／(rad／s))；ω為轉(zhuǎn)子角速度(rad／s)。
上式忽略了各相繞組的互感、電樞反應(yīng)引起的磁場(chǎng)變化、繞組電流變化的上升沿和下降沿及轉(zhuǎn)速波動(dòng)等次要因素。對(duì)于中低速無刷直流電動(dòng)機(jī)，完全可以忽略各繞組的自感，故上式可以變?yōu)楦?jiǎn)單的形式：
式中，Iav為平均電流(A)
無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程式為：
又有，
在恒定電源電壓u為常數(shù)的條件下，由式(2-5-1)和式(2-5一3可得：
式中，ω0為理論空載轉(zhuǎn)速(rad／s)，TS為堵轉(zhuǎn)電磁力矩(N．m)；R。為速
上述方程式說明，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性(電磁力矩／轉(zhuǎn)速特性，轉(zhuǎn)矩／電流特性)是呈線性的，與有刷永磁直流電動(dòng)機(jī)相同。圖2 5 6為一臺(tái)無刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)特性曲線。圖中給出了轉(zhuǎn)速n(r／min)、輸出轉(zhuǎn)矩T(mN·m)(T≈Te一Tf、電流Iav(A)、輸出功率P(w)、總效率η(包括電動(dòng)機(jī)和換向電路)之間的關(guān)系，還給出了環(huán)境溫度為+20℃和50℃時(shí)的特性對(duì)比。
必須指出的是由于外特性相似，使用者有可能將原先的有刷直流電動(dòng)機(jī)換成無刷的，而不會(huì)影響原裝置的總性能。但是，還必須了解無刷直流電動(dòng)機(jī)特性方面的某些特點(diǎn)，例如：
(1)在連續(xù)工作制(SI)下，有刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓常數(shù)KE和轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT滿足KE—KT關(guān)系。而從理論分析可知，對(duì)于無刷直流電動(dòng)機(jī)來說，兩者略有差異，差別在0．6％～3．6％之間。它與繞組相數(shù)、連接方式和工作狀態(tài)等有關(guān)。這種差異反映了無刷直流電動(dòng)機(jī)存在電流波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)這一本質(zhì)。但使用者欲了解電動(dòng)機(jī)外特性時(shí)，可以認(rèn)為KT≈KE。
(2)無刷直流電動(dòng)機(jī)一般有較明顯的電流波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，上述方程給出的電流值IAV和力矩Te是指平均值。
(3)無刷直流電動(dòng)機(jī)特性與換向開關(guān)晶體管的飽和壓降和等值電阻有關(guān)，特別是在脈寬調(diào)制工作方式時(shí)，晶體管開關(guān)速度對(duì)電機(jī)特性也有一定程度的影響。因此，無刷直流電動(dòng)機(jī)的特性應(yīng)理解為電機(jī)與特定換向電路作為一個(gè)整體的工作特性。
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