直流無刷電機(jī)的原理分析目錄TOC\o"1-3"\h\u6672直流無刷電機(jī)的原理分析 1277841.1直流無刷電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 1169991.1.1直流無刷電機(jī)的主體 1242311.1.2直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器 4243781.1.3直流無刷電機(jī)的電子換向電路 542821.2直流無刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型 61.1直流無刷電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)是有直流電源輸入電能到驅(qū)動控制電路然后輸出給直流無刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)經(jīng)位置傳感器反饋轉(zhuǎn)子位置信息給控制驅(qū)動電路。圖1.1基本結(jié)構(gòu)1.1.1直流無刷電機(jī)的主體直流無刷電機(jī)同有刷電機(jī)重要部件一樣，只是少了機(jī)械換向機(jī)構(gòu)。和直流有刷電動機(jī)不同，電動機(jī)的靜態(tài)部件是無刷電機(jī)定子，通常包括三個部分：基座、定子鐵芯、繞組。采用堆疊式硅鋼片組成定子鐵芯，以改善電動機(jī)的工作效率和減少鐵損。硅鋼片通常是以帶齒的環(huán)狀沖片為基礎(chǔ)，在其表面經(jīng)過氧化、絕緣以減少渦流損失，并在一定程度上減少了電動機(jī)的噪聲和扭矩波動。在定子槽中安裝電樞線圈，形成定子繞組。直流無刷電動機(jī)有單相、兩相和三相的結(jié)構(gòu)，其中三相是最常用的。定子的繞組也是電機(jī)本體的重要組成部分。定子繞組中線圈的互連方式?jīng)Q定了電機(jī)是正弦還是梯形（方波）電機(jī)，不同的連接方式會產(chǎn)生不同類型的反電動勢（EMF）?？刂频念愋鸵蝾愋筒煌煌．?dāng)連接到電源時，定子繞組在電流作用下產(chǎn)生磁勢，與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵產(chǎn)生的主磁場相互作用，產(chǎn)生電磁扭矩。當(dāng)無刷直流電動機(jī)在負(fù)載下運行時，繞組中會產(chǎn)生一些反電，從而消耗電能。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，每個繞組產(chǎn)生一個電壓，稱為反向發(fā)射，根據(jù)衍射定律，其方向與施加到繞組的主電壓相反。這種反發(fā)射的極性與激勵電壓的極性相反。這也是無感控制中的反發(fā)射檢測原理。圖1.2定子轉(zhuǎn)子是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，轉(zhuǎn)子是電動機(jī)、發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)中電磁系統(tǒng)的一個移動部件。它的旋轉(zhuǎn)是由于繞組和磁場之間的相互作用，產(chǎn)生了圍繞轉(zhuǎn)子軸的扭矩，扭矩是通過磁場和電流的相互作用而產(chǎn)生的力。在發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的設(shè)計是突出極或圓柱形。旋轉(zhuǎn)的磁場在經(jīng)過轉(zhuǎn)子桿時，會在轉(zhuǎn)子桿上感應(yīng)出一個電壓。它主要分為稀土鈷和釹鐵硼，特點是磁能積高、剩磁高、矯頑力高。并且釹鐵硼的磁性更好，價格更便宜，一個早期的電磁旋轉(zhuǎn)的例子是由ányosJedlik在1826-27年用電磁鐵和換向器建造的第一臺旋轉(zhuǎn)機(jī)。電力領(lǐng)域的其他先驅(qū)包括HippolytePixii，他在1832年建造了一臺交流發(fā)電機(jī)，以及WilliamRitchie在1832年建造了一臺帶有四個轉(zhuǎn)子線圈、一個換向器和電刷的電磁發(fā)電機(jī)。發(fā)展很快就包括了更多有用的應(yīng)用，如莫里茨-赫爾曼-雅各比的電機(jī)，它能以每秒一英尺的速度舉起10至12磅，約為1834年的15瓦的機(jī)械功率。1835年，弗朗西斯-沃特金斯描述了他創(chuàng)造的一個電氣"玩具"；他被普遍認(rèn)為是最早理解電機(jī)和發(fā)電機(jī)的可替換性的人之一。圖1.3轉(zhuǎn)子磁體橫截面為了運行可靠，轉(zhuǎn)軸需要能夠承受高強(qiáng)度，所以通常由高強(qiáng)度金屬材料比如鋼材料車磨而成。直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種：內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸鐵芯上有鑲嵌的閉合磁導(dǎo)體，這部分導(dǎo)體可以提供閉合磁路，轉(zhuǎn)子兩端帶有滾動軸承并安裝在電機(jī)外殼的端蓋中。外轉(zhuǎn)子則是定子位于內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子包括一個在外部旋轉(zhuǎn)的鐘形外殼，磁體安裝在該外殼上，提供閉合磁路。圖1.4內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)圖1.5外轉(zhuǎn)子電機(jī)1.1.2直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器一個好的轉(zhuǎn)子位置編碼器的指標(biāo)是抗噪聲能力、輸出振幅精度、損耗、工作溫度、響應(yīng)時間、尺寸和重量、安裝的方便性和可靠性。產(chǎn)品范圍包括磁性、電磁、光電、正弦和余弦傳感器，以及旋轉(zhuǎn)編碼器。在工業(yè)中，對于轉(zhuǎn)子位置檢測一般采用光電編碼片，但是由于其造價高昂，故本設(shè)計不予采用。另一種方法是利用霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾于1879年對金屬的傳導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行研究時所發(fā)現(xiàn)的一種電磁作用。當(dāng)一個與電流方向垂直的磁場被施加在半導(dǎo)體上時，會引起半導(dǎo)體中的電子和空穴受到洛倫茲力（左手定律）的影響，從而在不同的方向上聚集，形成一個電場，當(dāng)電場力與洛倫茲力達(dá)到一定程度后，就會停止凝聚，從而抵消洛倫茲力。所生成的內(nèi)部電壓叫做霍爾電壓。對于轉(zhuǎn)子位置的檢測技術(shù)不僅限于有傳感器，目前還有更先進(jìn)的無傳感器的檢測技術(shù)，本設(shè)計采用有傳感器的設(shè)計方案，故不在此簡紹無感檢測方式。圖1.6定子霍爾傳感器圖1.7轉(zhuǎn)子霍爾傳感器及磁體1.1.3直流無刷電機(jī)的電子換向電路無刷直流電動機(jī)的電子換向電路通常由電源開關(guān)裝置和邏輯控制電路的組合組成。功率開關(guān)以合理的方式將電流從直流源分配到定子繞組，從而使電機(jī)持續(xù)管理扭矩和功率?？刂撇糠謱鞲衅鞲袘?yīng)到的信號轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)拿}沖信號，以控制功率開關(guān)裝置來控制電機(jī)定子繞組的每一相的時間。目前，無刷直流電動機(jī)的主開關(guān)通常是一個全控器件，如IGBT或MOSFET。一些驅(qū)動系統(tǒng)包括電源模塊和智能電源模塊，使用這些模塊可以顯著提高整個系統(tǒng)的可靠性。圖1.8電子換向電路1.2直流無刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型我們以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，分析BLDC的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩特性。為了分析方便，假定：1三相繞組完全對稱，同時定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布也完全對稱，氣隙磁場為方波；2忽略齒槽和換向過程和電樞反應(yīng)等影響；3電樞繞組在定子內(nèi)表面連續(xù)均勻分布；4磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。三相繞組電壓平衡方程為(2-1)式中：ua，ub，uc為定子繞組電壓（V）；ia，ib，ic為定子繞組電流（A）；ea，eb，ec為定子繞組電動勢（V）；L為每相繞組的自感（H）；M為每相繞組間互感（H）；p為微分算子（p=d\dt）。三相繞組為星形連接，且沒有中線，則ia+ib+ic=0Mia+Mib+Mic=0得最終電壓方程：(2-2)圖1.9等效電路直流無刷電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程和普通直流電機(jī)相似，電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成比：(2-3)所以控制逆變器輸出方波電流幅值就可以控制BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。為產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，要求定子電流為方波，反電動勢為梯形波，且在每半個周期內(nèi)，方波電流持續(xù)時間為120°電角度