电子圈
IC热门型号:
您所在的位置:首页 > 电子圈 > 技术资料 > 无刷电机是什么意思?其工作原理、驱动原理、结构是怎样的?

无刷电机是什么意思?其工作原理、驱动原理、结构是怎样的?

出处 : 华强旗舰 发布时间 : 2020/04/29 关键词: 无刷电机 阅读 : 78

摘要:本文给大家详细介绍了什么是无刷电机,它的工作原理、驱动原理、接线方法、永磁无刷直流电机基本结构,以及与有刷电机的区别,希望对大家理解无刷电机有帮助。

本文给大家详细介绍了什么是无刷电机,它的工作原理、驱动原理、接线方法、永磁无刷直流电机基本结构,以及与有刷电机的区别,希望对大家理解无刷电机有帮助。



无刷电机是什么意思?


无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的,所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组,也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体,现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼(Nd-Fe-B)材料。



  无刷电机工作原理


  无刷直流电机运行原理图如下,绕组为三相星形接法,120度均布,采用三相半桥驱动方式,转子为一对极。


无刷电机的工作原理


       在图示位置,磁钢的磁极中心线与A相绕组对齐,此时的控制电路根据转子位置检测信号,使S1开关管触发导通,B相绕组通电,在B相绕组磁场的作用下,转子将顺时针旋转120独门,到达虚线转子所示的位置,磁钢的磁极中心线与B相绕组对齐,此时,控制电路根据转子位置检测信号,使S1开关管关断,使S3开关管导通,A相绕组通电,转子在A相绕组磁场的作用下,转子将顺时针旋转120度,按上述通电顺序循环导通,转子就顺时针旋转下去。


        无刷直流电机采集转子位置信号,前者,电机结构简单,但电机起动困难;后者,电机结构稍复杂,但起动平稳、可靠,目前大部分的无刷直流电机均采用后者。位置传感器的种类很多,空调用的无刷直流电机一般采用霍尔元件作为位置传感器。


  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。电动机的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。 由于无刷直流电动机是以自控式运行的,所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组,也不会在负载突变时产生振荡和失步。


  霍耳信号传递给控制器,控制器通过电机相线(粗线,不是霍耳线)给电机线圈供电,电机旋转,磁钢与线圈(准确的说是缠在定子上的线圈。


       其实霍耳一般安装在定子上)发生转动,霍耳感应出新的位置信号,控制器粗线又给电机线圈重新改变电流方向供电,电机继续旋转(线圈和磁钢的位置发生变化时,线圈必须对应的改变电流方向,这样电机才能继续向一个方向运动,不然电机就会在某一个位置左右摆动,而不是连续旋转),这就是电子换相。



  无刷电机驱动原理


  无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢,转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流,则电机只能产生不变的磁场,电机不能转动起来,只有实时检测电机转子的位置,再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流,使定子产生方向均匀变化的旋转磁场,电机才可以跟着磁场转动起来。


  如图所示为无刷直流电机的转动原理示意图,为了方便描述,电机定子的线圈中心抽头接电机电源POWER,各相的端点接功率管,位置传感器导通时使功率管的G极接12V,功率管导通,对应的相线圈被通电。


       由于三个位置传感器随着转子的转动,会依次导通,使得对应的相线圈也依次通电,从而定子产生的磁场方向也不断地变化,电机转子也跟着转动起来,这就是无刷直流电机的基本转动原理——检测转子的位置,依次给各相通电,使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化。


无刷直流电机转动原理

无刷直流电机转动原理



无刷电机接线方法


黑负极,红正极,黄色是转速信号输出。


无刷直流电机由电动机主体和驱复动器组成,是一种典型的机电一体化产品。 电动机的定子绕组多做成三相制对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。


电动机的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、停百止、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,产生连续度转矩;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。



  无刷直流电机驱动方法


  无刷直机电机的驱动方式按不同类别可分多种驱动方式,它们各有特点。


  按驱动波形:


  (1),这种驱动方式实现方便,易于实现电机无位置传感器控制;


  (2),这种驱动方式可以改善电机运行效果,使输出力矩均匀,但实现过程相对复杂。同时,这种方法又有SPWM和SVPWM(空间矢量PWM)两种方式,SVPWM的效果好于SPWM。



  无刷电机为什么不用铁氧体?


  经常有网友问到无刷电机为什么不用铁氧体磁铁?原因在哪?


  无刷电机中,是没有碳刷的,跟有刷相反,所以无刷电机的磁铁成了转子。无刷电机,特别是模型界的无刷电机,几乎100%用的钕铁硼强磁铁,主要是因为钕铁硼磁力强,电机的功率跟磁铁的性能息息相关,钕磁铁的体积与牌号决定了电机的最大功率。


  大家都知道铁氧体的性能低,性能低导致电机功率小,所以用的很少很少。无刷电机通常选用烧结钕铁硼(磁瓦)材质、粘结钕铁硼(圆环)材质的多,无刷电机用磁瓦作为定子时,一般都超过6极,但磁瓦作为无刷电机的转子时,可有4、6以上的极数。


  无刷电机的磁环一般直径大于20,充磁极数在4-12极之间,且其壁厚多在1.5-5.0之间。



  永磁无刷直流电机基本结构


  在传统直流电机基础上发展起来的永磁无刷直流电机,在结构上两者基本一致,不同的是永磁无刷直流电机的电枢绕组置于定子上,这点类似于交流电机的绕组,同时一般采用多相的形式,其中目前情况下三相应用的最多;其转子为永磁体,并且采用电子换向,定子磁场与转子永磁磁场之间的相互作用产生电磁转矩。


        永磁无刷直流电机根据永磁体的形状和磁路结构的不同,其气隙磁场波形有方波、梯形波、正弦波三种,反电势的波形对应相同。通常,反电势是正弦波的电机称为永磁同步电机,如图3所示;波形为其他两种类型的则称为永磁无刷直流电机,如图4所示。


永磁无刷直流电机基本结构


  永磁无刷直流电机的组成如图5所示。由此可见,它主要有三部分组成。转子的结构有凸极式和内嵌式两种,且由永磁材料制成。定子上的电枢与永磁有刷直流电机相反,所以它具有旋转的磁场和固定的电枢。


永磁无刷直流电机组成

永磁无刷电流电机组成


  电子开关电路中的功率管等可与电机电枢绕组直接相连接,再加上位置传感器,其功能就相当于有刷电机中的机械换向装置。永磁无刷直流电机结构简单,其基本结构示意图如图所示。


永磁无刷直流电机结构示意图

永磁无刷直流电机及结构示意图


  永磁无刷直流电机结构原理如图7所示。从图中可以看出,经过开关电路直流电源向定子绕组进行供电,控制系统对位置传感器信号进行处理后实现对开关电路的控制,正确地判断各电机绕组的通电和断电状况,进而实现电机的换向。


永磁无刷直流电机的结构原理图

永磁无刷直流电机的结构原理图



有刷电机与无刷电机区别有哪些?


1. 有刷电机

适用范围:有刷电机通常动力设备使用的都是有刷电机,如吹风机、工厂的电动机、家用的抽油烟机等等、,但是由于碳刷的磨损,需要定期进行更换电刷,因此有刷电机使用寿命。


控制方式:有刷电机碳电极在线圈接线头上滑动,线圈产生磁场的N-S极与最靠近的永磁铁定子的N-S极有一个适合的角度差,磁场异性相吸、同性相斥,产生力量,推动电机转动。通过调节供电电压的大小直接控制转速,因此比较简单。


启动比较:有刷电机电机响应速度快,起动扭矩大,速度从零到最大几乎感觉不到振动,起动时可带动更大的负荷。



2.无刷电机


适用范围:无刷电机通常被使用在控制要求比较高,转速比较高的设备上,如航模,精密仪器仪表等对电机转速控制严格,转速达到很高的设备上。


控制方式:无刷电机通过霍尔元件,编码器或者其他,感知永磁体磁极的位置,根据这种感知,适时切换线圈中电流的方向,保证产生正确方向的磁力,来驱动电机。一般通过的供电电源的电压不变,改变电调的控制信号,通过微处理器再改变大功率MOS管的开关速率,来实现转速的改变。


启动比较:无刷电机起动电阻大(抗),所以功率因素小,数字变频控制,直流变成交流,通过频率变化控制转速,所以无刷电机在起动和制动时运行不平稳,起动扭矩相对较小,起动时有嗡嗡声,并伴随着强烈震动,起动时带动负荷较小,振动大,只有在速度恒定时才会平稳。