本页使用了标题或全文手工转换

直流無刷電動機

维基百科,自由的百科全书
跳到导航 跳到搜索

無刷直流馬達(英語:Brushless DC Motor)或稱直流無刷電機BLDC电机,是沒有電刷整流子電動機,根據轉子永久磁鐵位置調整定子電流以產生轉矩。雖然是稱“直流”馬達,但实际上是一种使用三相电永磁同步电动机(PMSM)。之所以被称为“无刷直流电机”是因为在许多应用中该电机可以替换有刷直流电机。因此,BLDC电机也被称为EC(电子换向)电机,以便与包含电刷的机械换向电机进行区分[1]

BLDC电机利用電力電子技術(变频器)輸入控制訊號到馬達,以切換直流電的開關和通過的線圈組,而得到力矩使轉子轉動。但這些控制信號,波形沒有限制。方波驱动的称为BLDC,用于位置要求不是很高的场合;正弦波驱动的称PMSM,用于伺服场合[2]

发展[编辑]

早在1917年Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷的想法。1955年,美国D. Harrison等人申请用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利,标志着现代无刷电机的诞生。[3]

结构[编辑]

BLDC电机的星型连接

較簡單的結構是有一枚永久磁鐵及至少兩組(四個端子)線圈,兩組線圈輪流開關。永久磁鐵是轉子,線圈是定子。當磁鐵與線圈成一直線的時候,斷開該組線圈,啟動下一組線圈。[4]

定子[编辑]

BLDC电机的定子与感应电机的定子相似,是由绝缘铸钢叠片组成,可以降低涡流的电流损失。多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组,绕组置于沿内部圆周的轴向冲压槽中。直径小于40mm的电机会采用无齿槽设计:它的定子没有铁芯,铁损大幅减少,因此能效等级更高。[5]

转子[编辑]

转子用永磁体制成,转子里是没有线圈的。可有2到8对磁极,南磁极和北磁极交替排列。使用稀土合金磁体可以提高磁通密度,缩小转子体积。永磁体在转子上的安装方式多种多样:表贴式永磁(SPM)将永磁体装在转子铁芯外圆表面,通常见于高功率密度电机;表面嵌入式永磁(SIPM)电机的永磁体放在转子外表面的凹槽中,使得整个转子为圆柱形,提高了机械强度,防止永磁体在高速旋转时飞出;内置式永磁(IPM)转子结构的机械结构可靠,但安装工艺复杂,多用于高速电机。[6]

类型[编辑]

BLDC电机有内转子电机和外转子电机两种结构类型。内转子电机的优势在于转子的转动惯量低,散热非常快,在大多数工业应用中广泛使用。外转子电机的定子位于内侧,转子包括一个能够旋转外壳,磁体安装在外壳上,定子发热线圈与环境隔绝,散热相对较慢。由于转子的转动惯量转矩很大且很难控制转子外壳的平衡,所以外转子电机不适用于旋转速度很高的模式。但外转子电机可以拥有更短的结构并通常具备更小的停转转矩,而由于在相同的磁力下,它的转子直径更大,因此其转矩也更大。[7]

以定子绕组中线圈的互连方式分为梯形和正弦电机。采用集中整距绕组时,感应电动势为梯形波,称为永磁无刷直流电机(BLDC);分布绕组时,永磁转子形成正弦磁场,称为永磁同步电机(PMSM)。新型向量控制技术已对无刷直流电机使用正弦波控制,使得转矩波动和低速性能均有较大改善。正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑,但因为绕组之间有额外的互连,从而增加了耗铜量。永磁无刷直流电机(梯形波)的功率密度比永磁同步电机(正弦波)大15%[10]

控制[编辑]

在控制BLDC电机时,一般使用的是逆变器电路[11],例如脉冲宽度调制(PWM),通过调整脉冲占空比(ON/OFF)改变电压:若ON的比率较高,可以得到和提高电压相同的效果;若ON的比率下降,则可以得到和电压降低相同的效果。另外,BLDC电机的控制是配合着转子(永磁体)的位置(角度)进行的。因此,电机控制还需要获取转子位置。[12]

霍尔传感器[编辑]

定子电流I转矩M與转角α的关系

多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器(Hall sensor)。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时,它们便会发出一个高电平或低电平信号,表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合,就能决定换向的精确顺序。每次换向,都有一个绕组连到控制电源的正极,第二个绕组连到负极,第三个处于失电状态。六步换向定义了给绕组加电的顺序。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。[13]

BLDC的工作原理(三組線圈)块换向组合
EC-Motor.svg 1 2 3 4 5 6
V1/V2(U) -1 0 +1 +1 0 -1
V3/V4(V) +1 +1 0 -1 -1 0
V5/V6(W) 0 -1 -1 0 +1 +1

从技术上来说,霍尔传感器和块换向组合是驱动BLDC电机的最简单方法。这种技术的劣势在于,由于切换过程不连续,在块换向中,会产生以此为峰值的转矩波动,其频率为电机电动旋转频率的六倍。这会引发振动和噪音;低速下尤其如此,电机不会始终均匀地旋转[14]。通电的理想形式是正弦换向,永磁同步电动机(PMSM)的每个绕组都由一个120°正弦波供电,从而产生强度恒定并持续旋转的定子磁场。一般来说,对于精密控制合成磁通量的矢量控制,转角传感器(Angle Sensor)或光电编码器等高精度传感器较为有效。[15]

位置检测专用传感器的种类及特征[16]
电机类型 传感器种类 主要用途 特征
BLDC 霍尔效应传感器 梯形波、120度通电控制 每60度获取一次信号,价格较低,不耐热。
PMSM 光电编码器 正弦波控制、矢量控制 分辨率高,但抗震性、防尘能力较弱,成本较高。
转角传感器 正弦波控制、矢量控制 分辨率高,适用于恶劣环境。

无传感器控制[编辑]

BLDC电机可以通过监视反电动势信号,而不是霍尔传感器信号来换向。在既定电机磁通量和绕组数固定的情况下,反电动势的幅度与电机的旋转速度成正比。无传感器控制简化了电机结构(不需要附加绕组),节约了成本,但当电机处于静止状态时,无法获得转子位置,因而需要一种特殊的启动方法。当电机在控制模式下运转多个换向周期直到获得一定速度后,无传感器测量便能够确定转子位置。无传感器控制的BLDC电机适合安装在难以检修的位置,或在多灰尘、多油的环境中运行,但不适合需要较低速度的应用,因为此时反电机势很小而难以测量,会造成工作效率不高。[17]

无传感器BLDC电机的控制系统由一个MCU控制芯片加上一个IGBTMOSFET驱动器组成[18],外设器件有三相PWMADC和用于过流保护的比较器[19]

电动机标量控制和矢量控制的比较[20]
控制参数 V/Hz控制 矢量控制 无传感器矢量控制
速度调节 1% 0.001% 0.05%
转矩调节 ±2% ±5%
电机模型 不要求 要求 要求精确的模型
MCU处理功率 高+DSP

特性[编辑]

BLDC电机的转矩在达到额定值之前都保持不变。电机可达最大转速是额定转速的150%,但从超过额定转速起转矩开始下降。

與傳統有刷式直流電動機相比,無刷式較為安全和可靠。碳刷長期使用有碳粉,高溫環境下,碳粉可能會爆炸。因此,需要定期清理,同時保養成本較高。但同樣的去除電刷需要使用電子技術,不是透過簡單改變電壓就能控制定子的轉動了。[21]

BLDC电机与感应电机比较[22]
特性 BLDC 交流感应电机
转速/转矩特性 特性曲线平坦,在负载额定的条件,可在所有转速下正常工作。 特性曲线非线性,低转速下转矩也低。
输出功率/体积 功率密度高,由于转子采用永磁体,体积较小 功率密度中等,由于定子和转子都有绕组,输出功率与体积之比低于BLDC。
转子惯性 惯性小,动态特性较佳 惯性大,动态特性较差
起动电流 额定值,无需专门的启动电路。 大约是额定值的7倍,应谨慎选择合适的启动电路。通常使用星型-三角形启动器。
控制要求 要保持电机运转,始终需要控制器。还可使用这一控制器控制转速。 固定转速不需要控制器,只有需要改变转速时才需要控制器。
差频 定子和转子磁场的频率相等 转子运行频率低于定子磁场。差频随着电机负载的增大而增加。

应用[编辑]

恒定负载[编辑]

直流无刷管道风扇。印刷电路板上的两个线圈与风扇组件中的六个圆形永磁体相互作用。

如风扇、泵、吹风机这类应用需要低成本控制器,多数运行在开环状态。[23]

变化负载[编辑]

家用电器中的洗衣机、干衣机、压缩机,汽车上的燃料泵、电子转向、引擎控制,航空航天领域中的离心机、机械臂、陀螺仪控制等可能使用转速反馈设备,运行在半闭环或全闭环状态。这些应用使用高级控制算法,从而增加了控制器的复杂性,提高了整个系统的造价。[24]

定位应用[编辑]

机械齿轮或定时传送带等应用中转速和转矩的动态响应很重要,并且可能需要频繁切换转向。可能需要有三个控制环同时工作:转矩控制环、转速控制环和位置控制环。[25]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 直流无刷电机. Nanotec. [2021-12-04]. (原始内容存档于2021-12-04). 
  2. ^ 永磁无刷直流电机与永磁同步电机比较和分析. 翡叶动力. [2021-12-05]. (原始内容存档于2021-12-05). 
  3. ^ 无刷电机的发展历史. 恒驱电机. 2014-06-25 [2021-12-05]. (原始内容存档于2021-05-10). 
  4. ^ 关于无刷直流马达. Nidec. [2021-12-05]. (原始内容存档于2021-12-05). 
  5. ^ BLDC电机是什么?其原理及正确用法你知道吗?. 与非网. 2020-07-06 [2021-12-04]. (原始内容存档于2021-12-04). 
  6. ^ R. Krishnan. 柴凤 , 编. 永磁无刷电机及其驱动技术 1. 北京: 机械工业出版社. 2012-11. ISBN 978-7-111-40054-7. 
  7. ^ 外转子电机和内转子电机的区别. Hon&Guan. 2020-09-05 [2021-12-05]. (原始内容存档于2021-12-05). 
  8. ^ 什么是力矩电机. ETEL. [2021-12-05]. (原始内容存档于2021-12-05). 
  9. ^ 无刷直流轮毂电机基本简介. 九洲电机. 2016-04-26 [2021-12-05]. (原始内容存档于2021-12-05). 
  10. ^ R. Krishnan. Electric Motor Drives. Prentice Hall. 2001 [2021-12-05]. ISBN 978-0130910141. (原始内容存档于2021-12-05). 
  11. ^ PI发布效率达98.5%的高压BLDC电机驱动器IC产品系列. OFweek工控网. 2018-11-14 [2021-12-06]. (原始内容存档于2021-12-06). 
  12. ^ 将脉冲宽度调制(PWM)用于无刷直流电机(BLDC)速度控制. 电子工程世界. [2021-12-05]. (原始内容存档于2021-12-05). 
  13. ^ Clarence W. de Silva. Modeling and Control of Engineering Systems. CRC Press. 2009: 632–633 [2021-12-05]. ISBN 978-1420076875. (原始内容存档于2021-12-05). 
  14. ^ Texas Instruments. Trapezoidal Control of BLDC Motors Using Hall Effect Sensors (PDF). 页面存档备份,存于互联网档案馆
  15. ^ Sabrie Soloman. Sensors Handbook. McGraw Hill Professional. 1999: 5–6 [2021-12-05]. ISBN 978-0-07-059630-6. (原始内容存档于2021-12-05). 
  16. ^ Kevin Chow. 想搞BLDC电机控制,就必须要懂的角度传感器. Digi-Key Electronics. 2019-08-19 [2021-12-04]. (原始内容存档于2021-12-04). 
  17. ^ Steven Keeping. 通过反电动势,控制无传感器 BLDC 电机. 得捷电子. 2013-06-19 [2021-12-05]. (原始内容存档于2021-12-05). 
  18. ^ 刘梦影; 朱仁龙. 一款32位MCU定时器设计及在无刷直流电机控制中的应用. 电子与封装. 2021, 21 (7) [2021-12-05]. doi:10.16257/j.cnki.1681-1070.2021.0707. (原始内容存档于2021-12-05). 
  19. ^ Dave Coulson. The Need for Autonomous Peripheral Interoperation in Sensorless BLDC Applications (PDF). Zilog. 2011 [2021-12-05]. (原始内容存档 (PDF)于2021-12-11). 
  20. ^ BLDC电机控制算法解析. 与非网. 2021-01-08 [2021-12-05]. (原始内容存档于2021-12-05). 
  21. ^ Brushless DC Motor vs. AC Motor vs. Brushed Motor?. [2021-04-29]. (原始内容存档于2021-12-05). 
  22. ^ Padmaraja Yedamale. 无刷直流(BLDC)电机基础 (PDF). Microchip Technology Inc. 2007 [2021-12-04]. (原始内容存档 (PDF)于2021-12-11). 
  23. ^ Chang-liang Xia. Permanent Magnet Brushless DC Motor Drives and Controls. John Wiley and Sons. 2012: 18–19 [2021-12-05]. ISBN 978-1118188361. (原始内容存档于2021-12-05). 
  24. ^ 原野. 家电应用中的电机驱动 (PDF). Industrial Summit 2020. Shenzhen. 2020-12-02 [2021-12-05]. (原始内容存档 (PDF)于2021-12-11). 
  25. ^ Brushless DC Motors Used in Industrial Applications. Ohio Electric Motors. 2012. (原始内容存档于2012-11-04).