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无刷直流电动机及其工作原理

发布日期:2017-10-19 11:34:34 点击次数:

无刷直流电动机及其工作原理1.jpg        直流无刷电动机是一种自控变频的永磁同步式电动机,由电动机本体、转子位置传感器、电子开关电路三部分组成,其各部分的具体介绍如下所示:

1)电动机本体

电动机本体互换了普通直流电动机的定子和转子,从而使其转子变成了永久磁铁,用于产生气隙磁通;定子作为电枢,由多相绕组组成,经由驱动器接到直流电源上。在整体结构上,有刷直流电动机类似与永磁式同步电动机。

2)转子位置传感器

转子位置传感器是直流无刷电动机的核心部件,有电磁感应式、光电式、磁敏式等几种结构形式,用于代替直流电机的电刷,用于提供电动机转子与定子的相对位置,对电动机的特性具有很大的影响。

3)电子开关电路

电子开关电路由功率开关管和逻辑控制电路组成,用于控制电动机定子绕组通电的顺序和导通的时间,实现电子换向(各相依次通电产生电流,跟转子主磁场作用产生转矩)。

直流无刷电动机的结构组成如图

无刷直流电动机及其工作原理2.jpg 

无刷直流电动机的工作原理

针对直流无刷电动机,当其换向由可关断器件控制和完成时,可等效于有三个换向片的直流电动机。此时,因为结构上的限制,电枢绕组以及变频器通常处于静止不动的状态,而磁极处于旋转的状态,其工作原理以及具体分析如下图2中的(a)(b)(c)所示。

通过对图2进行分析可以看出:

1)当电机的电枢按照一定的顺序依次转过60度时,直流电机的位置情形如图4-2a)所示。

2)基于直流电机运动的相对性能,当磁极和电机电刷向相反的方向按照一定的顺序依次转过60度时,电枢之中各导体电流也不会有所变化,从而可以确定电机电枢和换向器在空间的位置没有发生变化,

具体如图2b)所示。

3)通过进一步的分析还可以得到:如果利用半导体的开关来代替机械的换向器,并且按照次序依次触发其相对应的晶闸管,从而使得晶闸管61→12→23……顺次导通,则相对应的磁极或者转子也会按照一定的次序转过60度,详细的情形如图2c)所示。

 

2

 

a)电枢旋转(b)磁极旋转 (c)无刷直流电动机

      此外,还可以换一个角度来对直流电机的运动情形进行分析,比如从磁场的角度。这个时候,当晶闸管1和晶闸管6导通时,经过分析可以看出,电流的流通回路如下所示:

电源的正级晶闸管1→A相的绕组→B相绕组晶闸管6→电源的负极

     此时,电枢的磁势指向发生变化,指向垂直于C相绕组的位置,具体如图2c)中Fa这个量所示。同时,磁极的位置为图中方向F0,代表电枢磁场的Fa与代表励磁磁场的F0之间的夹角呈120度。当转子按照顺时针的方向进行旋转时,旋转到F01位置,会使得F01与代表电枢磁场的Fa之间的夹角呈90度,从而得到直流电动机的最大转矩。

     之后,转子顺序继续旋转,旋转到F02位置时,会使得F02与代表电枢磁场的Fa之间的夹角呈60度,此时通过控制电路的调节,晶闸管2被触发的同时导通,晶闸管6被关断,电枢电流回路的流通方向发生变化,此时的流向如下:

电源的正极晶闸管1→A相绕组→C相绕组晶闸管2→电源的负极

此时,当电枢磁场Fa转过60度,代表电枢磁场的Fa与代表励磁磁场的F0之间的夹角就会重新变为120度,具体分析如图2c)所示的情形。

以上的过程周而复始的进行,使得代表电枢磁场的Fa与代表励磁磁场的F0之间的夹角始终在60度~120度的范围内变化,在旋转的励磁磁场和电枢磁场的交互作用下,会使得直流电动机的转子连续地转动。

 

 

综合以上的分析可以看出:

    晶闸管的导通时间是120电角度,晶闸管的关断时间是60电角度,而每转过60电角度就会有一只晶闸管发生换相。

    为此,就必须要求随着转子的旋转,相应的晶闸管能够周期性地触发或者关断,从而保证了电枢磁场和励磁磁场能够保持同步。上述的任务通常由位置检测器来完成。

    由于电动机定子电枢电流是直接由转子转速控制的,这样,电动机速度升高或降低时,位置检测器输出信号的频率也就会随着升高或降低,电枢电流频率及其旋转磁场速度随之升高或降低,始终能保持与励磁磁场相对位置不变的关系,因此这种电机不会存在失步的问题,也就是能够维持频率自控的状态。

 

作者:工控小诚   来源:中国工控网


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