一種永磁無刷直流電動機(jī)的研制
戴白刃
(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164)
摘要：研制的永磁無刷直流電動機(jī)其結(jié)構(gòu)及工作原理獨特，控制電路與電機(jī)集于一體，控制方法靈活簡單，實現(xiàn)了調(diào)速、過流、過壓、過熱保護(hù)等功能，具有高效、安全、可靠等特點。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī)；結(jié)構(gòu)；單片機(jī)；控制電路；控制軟件
中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)05—0014—02
1無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)
我們研制的永磁無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖l所示。它是一種外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)，在其外轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌入三對(六個)徑向瓦形磁極。N極、s極間隔分布，對應(yīng)的定子電樞鐵心也設(shè)計為六齒，并且齒的外形被設(shè)計成不對稱的特殊形狀。
六個電樞繞組串聯(lián)在一起(事實上由一根導(dǎo)線繞制而成)，但相鄰兩個繞組的線圈繞制方向是不同的。即一個繞組的線圈按順時針方向繞制，接下來一個繞組的線圈就按逆時針方向繞制，再接下來一個繞組的線圈又按順時針方向繞制，即三個間隔的繞組線圈繞制的方向一致。
在鐵心某一齒的邊緣的適當(dāng)位置安裝一個磁感應(yīng)位置傳感器，以確定該傳感器位置對應(yīng)的徑向方向是N極還是s極磁場。
電機(jī)控制部分被設(shè)計安裝在電機(jī)內(nèi)部，與電機(jī)形成一體。只要外加直流電源，電機(jī)就可以運行。電機(jī)外觀簡潔，使用方便。
2工作原理
按照無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁鋼在氣隙中形成磁場，并且由于定子鐵心齒的外形為不對稱的特殊形狀，因此電機(jī)在不加電流時，外轉(zhuǎn)子相對靜止，外轉(zhuǎn)子的磁極軸線與定子鐵心齒的軸線不重合，形成一個固定的夾角α，霍爾傳感器對應(yīng)的徑向方向不是N極就是s極磁場，也使得鐵心齒上的繞組兩邊，一邊完全處在外轉(zhuǎn)子某一磁極下，另一邊則處在相反磁極下。另外，相對于電機(jī)外轉(zhuǎn)子和定子上的霍爾傳感器的位置而言，只有六個靜止點(三點對應(yīng)N極磁場，三點對應(yīng)s極磁場)，且每點相距60。。
根據(jù)霍爾傳感器的位置，控制器給電樞繞組加某一方向的電流，將產(chǎn)生一個作用于該導(dǎo)體的電磁力(由于同一電樞繞組的兩邊是在不同的磁場中，且電流方向不同，因此受到電磁力的方向是一致的)，由于繞組線圈在定子上，故外轉(zhuǎn)子受到了一個反作用力，即電磁力對外轉(zhuǎn)子中心軸形成一個力矩，迫使外轉(zhuǎn)子圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)。當(dāng)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一定的角度，在齒軸線和下一個磁極軸線重合以前，切斷電樞繞組中的電流，使外轉(zhuǎn)子受慣性及轉(zhuǎn)子本身磁場的作用繼續(xù)朝同一方向(也就是下一靜止點方向)轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到靜止點時，霍爾信號發(fā)生變化，控制器再立即給電樞繞組加另一方向的電流，此時對應(yīng)的外轉(zhuǎn)子磁極也發(fā)生了變化，使外轉(zhuǎn)子繼續(xù)圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)。
此外，為了控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只要控制流過電樞電流的大小和時間即可。
3特點
根據(jù)這種電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，我們可以得出:
(1)電機(jī)工作時，所有電樞繞組始終流過電流，而死區(qū)時問可調(diào)整到很短，當(dāng)電流5A時效率達(dá)百分之83。
(2)控制電路簡單，所用器件少。由于這種電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，只需一只位置傳感器，而功率開關(guān)晶體管也只需兩對(四只)。而且如果需要，電樞及外轉(zhuǎn)子的磁極可成對增加，但所需位置傳感器及功率開關(guān)晶體管無需增加。
(3)控制、驅(qū)動電路在電機(jī)內(nèi)部，整個電機(jī)體積并不太大。當(dāng)功率為240 w時，電機(jī)的尺寸為直徑90 mm，高85 mm。
(4)根據(jù)需要可方便地調(diào)速。
4控制電路
永磁無刷直流電動機(jī)的控制電路由單片機(jī)、功率開關(guān)晶體管、驅(qū)動電路及傳感器等組成，主要實現(xiàn)了換向與調(diào)速兩個功能。圖2是控制電路的主要邏輯圖。P1、P2分別連接電樞。
4.1換向
為了使電樞繞組中的電流按一定的邏輯不斷改變電流方向，單片機(jī)首先依據(jù)霍爾傳感器的信號控制打開某對功率晶體管。假如，先打開功率晶體管Q1及功率晶體管Q2，使電流從P1流人P2流出，當(dāng)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一定的角度時，單片機(jī)控制電路關(guān)斷Ql及Q2，使電樞中瞬 |
