無刷直流電動機結構、原理和特性
無刷直流電動機由電動機和電子驅(qū)動器兩部分組成。電動機部分結構和經(jīng)典交流水磁同步電動機相似。其定子上有多相繞組，轉(zhuǎn)子上鑲有水久磁鐵，山于運行的需要，還要有轉(zhuǎn)子位置傳感器。位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)lF磁場軸線和定子相繞組軸線的相對位置，決定各個時刻相繞組的通電狀態(tài)，即決定電子驅(qū)動器多路輸出開關的開／斷狀態(tài)，接通／斷開電動機相應的相繞組。因此，無刷直流電動機可看成是由專門的電子逆變器驅(qū)動的有位置傳感器反饋控制的交流同步電動機。從另一角度看，無刷直流電動機可看成是一個定轉(zhuǎn)子倒置的直流電動機。 一般直流電動機的電樞繞組在轉(zhuǎn)子卜，永磁體則在
定子上。有刷直流電動機的所謂換向，實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。而無刷直流電動機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來完成的。無刷直流電動機以電子換向代替了普通直流電動機的機械換同，具有普通直流電動機相似的線眭機械
特性和線性轉(zhuǎn)矩／電流特性。
(一)結構
無刷直流電動機通常是由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和晶體管開關電路三部分組成，它的原理框圖和結構簡圖分別如圖2-5-1和圖2-5-2所示。
無刷直流電動機在結構上是一臺反裝的普通直流電動機。它的電樞放置在定子上，水磁磁極位于轉(zhuǎn)子上，與旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機相像。其電樞繞組為多相繞組，各相繞組分別與晶體管開關電路中的功率開關元件相連接。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行換流，實現(xiàn)無接觸式的電子換向。
無刷直流電動機中設有位置傳感器。它的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁場相剝于定子繞組的位置，并在確定的位置處發(fā)出信號控制晶體管元件，使定子繞組中電流換向。位置傳感器有多種不同的結構形式，如光電式、電磁式、接近開關式和磁敏元件(霍爾元件)作一簡要介紹。
光電式位置傳感器是利用光束與轉(zhuǎn)子位置角之間的對應關系，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)出電信號去導通開關電路中相應的晶體管，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)，通過安放在對應于定子繞組幾個確定位置上的光電池(當它受到了光束的照射，會發(fā)出相應電信號)，檢測出定子繞組電流需要換向的確切位置，再由光電池發(fā)出的電信號去控制晶體管，使相應的定子繞組進行電流切換。
光電位置傳感器發(fā)出的電信號一般都較弱，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，不必再進行整流，這是它的一個優(yōu)點。
(二)基本原理
下面以一臺采用晶體管開關電路進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機為例，說明轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的基本原理。圖2 5—4表示電動機轉(zhuǎn)子在幾個不同位置時定子電樞繞組的通電狀況，并通過電樞繞組磁勢和轉(zhuǎn)子繞組磁勢的相互作用，來分析無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。
(1)當電動機轉(zhuǎn)子處于圖2—5-4瞬時，光源照射到光電池Pa上，便有電壓信號輸出，其余兩個光電池Ph、Pc則無輸出電壓，由Pa的輸出電壓放大后使晶體管Vl開始導通(見圖2—5-2)，而晶體管V2、V3截止。這時，電樞繞組Ax有電流通過，電樞磁勢Fa的方向如圖2—5-4(a)所示。電樞磁勢Fa和轉(zhuǎn)子磁勢相互作用便產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。
(2)當電動機轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過2π／3電角度時，光屏蔽罩也轉(zhuǎn)過同樣角度，從而使光電池Pb開始有電壓信號輸出，其余兩個光電池Pa、Pc則無輸出電壓。Pb輸出電壓放大后使晶體管V2開始導通(見圖2—5 2)，晶體管V1、V3截止。這時，電樞繞組BY有電流通過，電樞磁勢Fa的方向如圖
2—5 4(b)所示。電樞磁勢Fa和轉(zhuǎn)子磁勢相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。
(3)當電動機轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過4π／3電角度時，光電池Pc使晶體管V3開始導通，V1、V2截止，相應電樞繞組CZ有電流通過，電樞磁勢Fa的方向如圖2 5—4(c)所示。它與轉(zhuǎn)子磁勢相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，仍使轉(zhuǎn)子沿順時針方同旋轉(zhuǎn)。
當電動機轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)過2π／3電角度時，又回到原來的起始位置。這時通過位置傳感器，重復上述的電流換向情況。如此循環(huán)進行，無刷直流電動機在電樞磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢的相互作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，并使電機轉(zhuǎn)子按一定的方向旋轉(zhuǎn)。
從上述例子的分析可以看出，在這種晶體管開關電路電流換向的無刷直流電動機中，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過2π電角度，定子繞組共有3個通電狀態(tài)。每一狀態(tài)僅有一相導通，而其他兩相截止．其持續(xù)時間應為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過2π／3電角度所對應的時間。各相繞組與晶體管導通順序的關系如表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)結構的無刷直流電動機(如雙極性三相Y連接方式)相當于一臺定子和轉(zhuǎn)子倒置的、電樞只有6槽的永磁直流電動機，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，無刷直流電動機的外特性和參數(shù)與永磁直流有刷電動機相似。
無刷直流電動機電氣方程式為：
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、電樞反應引起的磁場變化、繞組電流變化的上升沿和下降沿及轉(zhuǎn)速波動等次要因素。對于中低速無刷直流電動機，完全可以忽略各繞組的自感，故上式可以變?yōu)楦唵蔚男问剑?BR>
式中，Iav為平均電流(A)
無刷直流電動機的運動方程式為：
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，永磁無刷直流電動機機械特性(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機相同。圖2 5 6為一臺無刷直流電動機實測特性曲線。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(包括電動機和換向電路)之間的關系，還給出了環(huán)境溫度為+20℃和50℃時的特性對比。
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機換成無刷的，而不會影響原裝置的總性能。但是，還必須了解無刷直流電動機特性方面的某些特點，例如：
(1)在連續(xù)工作制(SI)下，有刷直流電動機的電壓常數(shù)KE和轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT滿足KE—KT關系。而從理論分析可知，對于無刷直流電動機來說，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。這種差異反映了無刷直流電動機存在電流波動和轉(zhuǎn)矩波動這一本質(zhì)。但使用者欲了解電動機外特性時，可以認為KT≈KE。
(2)無刷直流電動機一般有較明顯的電流波動和轉(zhuǎn)矩波動，上述方程給出的電流值IAV和力矩Te是指平均值。
(3)無刷直流電動機特性與換向開關晶體管的飽和壓降和等值電阻有關，特別是在脈寬調(diào)制工作方式時，晶體管開關速度對電機特性也有一定程度的影響。因此，無刷直流電動機的特性應理解為電機與特定換向電路作為一個整體的工作特性。
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