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無刷直流電機_無刷直流電機原理

來源: 發布日期:2015-10-13  11:50:30 點擊:5320

  直流無刷電機:

  無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品。 無刷電機是指無電刷和換向器(或集電環)的電機,又稱無換向器電機。早在十九紀誕生電機的時候,產生的實用性電機就是無刷形式,即交流鼠籠式異步電動機,這種電動機得到了廣泛的應用。但是,異步電動機有許多無法克服的缺陷,以致電機技術發展緩慢。上世紀中葉誕生了晶體管,因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機就應運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機,它克服了第一代無刷電機的缺陷。

  直流無數電機原理:

  無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品。電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法,同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體 ,為了檢測電動機轉子的極性,在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成,其功能是:接受電動機的啟動、停止、制動信號,以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉信號,用來控制逆變橋各功率管的通斷,產生連續轉矩;接受速度指令和速度反饋信號,用來控制和調整轉速;提供保護和顯示等等。

  直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能,但直流電機的優點也正是它的缺點,因為直流電機要產生額定負載下恒定轉矩的性能,則電樞磁場與轉子磁場須恒維持90°,這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉動時會產生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外,使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子,免維護、堅固、應用廣,但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術才能達到,F今半導體發展迅速功率組件切換頻率加快許多,提升驅動電機的性能。微處理機速度亦越來越快,可實現將交流電機控制置于一旋轉的兩軸直角坐標系統中,適當控制交流電機在兩軸電流分量,達到類似直流電機控制并有與直流電機相當的性能。

  此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中,而且體積越來越;像模擬/數字轉換器(analog-to-digital converter,adc)、脈沖寬度調制(pulse wide modulator,pwm)…等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相,得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構上缺失的一種應用。

  無刷直流電機特點:

  1、可替代直流電機調速、變頻器+變頻電機調速、異步電機+減速機調速;

  直流無刷電機

  直流無刷電機(3張)

  2、具有傳統直流電機的優點,同時又取消了碳刷、滑環結構;

  3、可以低速大功率運行,可以省去減速機直接驅動大的負載;

  4、體積小、重量輕、出力大;

  5、轉矩特性優異,中、低速轉矩性能好,啟動轉矩大,啟動電流;

  6、無級調速,調速范圍廣,過載能力強;

  7、軟啟軟停、制動特性好,可省去原有的機械制動或電磁制動裝置;

  8、效率高,電機本身沒有勵磁損耗和碳刷損耗,消除了多級減速耗,綜合節電率可達20%~60%。

  9、可靠性高,穩定性好,適應性強,維修與保養簡單;

  10、耐顛簸震動,噪音低,震動小,運轉平滑,壽命長;

  11、不產生火花,特別適合爆炸性場所,有防爆型;

  12、根據需要可選梯形波磁場電機和正弦波磁場電機。

  無刷直流電機應用:

  無刷直流電機的應用十分廣泛,如汽車、工具、工業工控、自動化以及航空航天等等?偟膩碚f,無刷直流電機可以分為以下三種主要用途:

  持續負載應用:主要是需要一定轉速但是對轉速精度要求不高的領域,比如風扇、抽水機、吹風機等一類的應用,這類應用成本較低且多為開環控制。

  可變負載應用:主要是轉速需要在某個范圍內變化的應用,對電機轉速特性和動態響應時間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干機和壓縮機就是很好的例子,汽車工業領域中的油泵控制、電控制器、發動機控制等,這類應用的系統成本相對更高些。

  定位應用:大多數工業控制和自動控制方面的應用屬于這個類別,這類應用中往往會完成能量的輸送,所以對轉速的動態響應和轉矩有特別的要求,對控制器的要求也較高。測速時可能會用上光電和一些同步設備。過程控制、機械控制和 運輸控制等很多都屬于這類應用。

  實用性新型無刷電機是與電子技術、微電子技術、數字技術、自控技術以及材料科學等發展緊密聯系的。它不僅限于交直流領域,還涉及電動、發電的能量轉換和信號傳感等領域。在電機領域中新型無刷電機的品種是較多的,但性能優良的無刷電機因受到價格的限制,其應用還不十分廣泛。下面分別就主要的新型無刷電機進行探索與研究。

  無刷直流電機分類:

  直流電動機

  一般直流電動機具有相同的工作原理和應用特性,而其組成是不一樣的。除了電機本身外,前者還多一個換向電路,電機本身和換向電路緊密結合在一起。許多小功率電動機的電機本身是與換向電路合成一體,從外觀上看直流無刷電動機與直流電動機完全一樣。

  直流無刷電動機的電機本身是機電能量轉換部分,它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外,還帶有傳感器。電機本身是直流無刷電機的核心,它不僅關系到性能指標、噪聲振動、可靠性和使用壽命等,還涉及制造費用及產品成本。由于采用永磁磁場,使直流無刷電機擺脫一般直流電機的傳統設計和結構,滿足各種應用市場的要求,并向著省銅節材、制造簡便的方向發展。永磁磁場的發展與永磁材料的應用密切相關,第三代永磁材料的應用,促使直流無刷電機向高效率、小型化、節能方向邁進。

  為了實現電子換向必須有位置信號來控制電路。早期用機電位置傳感器獲得位置信號,現已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號,最簡便的方法是利用電樞繞組的電勢信號作為位置信號。

  要實現電機轉速的控制必須有速度信號。用獲得位置信號相近方法取得速度信號,最簡單的速度傳感器是測頻式測速發電機與電子線路相結合。

  直流無刷電機的換向電路由驅動及控制兩部分組成,這兩部分是不容易分開的,尤其小功率用電路往往將兩者集成化成為單一專用集成電路。

  在功率較大的電機中,驅動電路和控制電路可各自成為一體。驅動電路輸出電功率,驅動電動機的電樞繞組,并受控于控制電路。驅動電路已從線性放大狀態轉成脈寬調制的開關狀態,相應電路組成也從晶體管分立電路轉成模塊化集成電路。模塊化集成電路有功率雙極晶體管、功率場效應管和隔離柵場效應雙極晶體管等組成形式。雖然,隔離柵場效應雙極晶體管價格較貴,但從可靠安全和性能角度看,選用它還是較合適的。

  控制電路用作控制電機的轉速、轉向、電流(或轉矩)以及保護電機的過流、過壓、過熱等。上述參數容易轉成模擬信號,用此來控制較簡單,但從發展來看,電機的參數應轉換成數字量,通過數字式控制電路來控制電機。當前,控制電路有專用集成電路、微處理器和數字信號處理器等三種組成方式。在對電機控制要求不高的場合,專用集成電路組成控制電路是簡單實用的方式。采用數字信號處理器組成控制電路是今后發展方向,有關數字信號處理器將在下面交流同步伺服電動機中介紹。

  在微小功率范疇直流無刷電動機是發展較快的新型電機。由于各個應用領域需要各自獨特的直流無刷電動機,所以直流無刷電動機的類型較多。大體上有計算機外存儲器以及VCD、DVD、CD主軸驅動用扁平式無鐵心電機結構,小型通風機用外轉子電機結構,家電用多極磁場結構及內裝式結構,電動自行車用多極、外轉子結構等等。上述直流無刷電動機的電機本身和電路均成一體,使用十分方便,它的產量也非常大。為了滿足大批量、低成本的市場需要,直流無刷電動機的生產必須要形成規模經濟。因此,直流無刷電動機是一種高投入、高產出的行業。同時,我們應該考慮到市場也在不斷地發展,如家用空調用電機正由3A轉向3D,需要大量的中小功率的直流無刷直流電動機,研究和開發中小功率的直流無刷電動機也成當務之急。

  無刷電機

 。˙LDCM)是在有刷直流電動機的基礎上發展來的,但它的驅動電流是不折不扣的交流;無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷力矩電機。一般地,無刷電機的驅動電流有兩種,一種是梯形波(一般是“方波”),另一種是正弦波。有時候把前一種叫直流無刷電機,后一種叫交流伺服電機,確切地講是交流伺服電動機的一種。

  無刷直流電機為了減少轉動慣量,通常采用“細長”的結構。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多,相應的轉動慣量可以減少40%—50%左右。由于永磁材料的加工問題,致使無刷直流電機一般的容量都在100kW以下。

  這種電動機的機械特性和調節特性的線性度好,調速范圍廣,壽命長,維護方便噪聲小,不存在因電刷而引起的一系列問題,所以這種電動機在控制系統中有很大的應用潛力。

  電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法,同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體,為了檢測電動機轉子的極性,在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成,其功能是:接受電動機的啟動、停止、制動信號,以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉信號,用來控制逆變橋各功率管的通斷,產生連續轉矩;接受速度指令和速度反饋信號,用來控制和調整轉速;提供保護和顯示等等。

  由于無刷直流電動機是以自控式運行的,所以不會象變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組,也不會在負載突變時產生振蕩和失步。

  中小容量的無刷直流電動機的永磁體,多采用高磁能積的稀土釹鐵硼(Nd-Fe-B)材料。因此,稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。

  近三十年來針對異步電動機變頻調速的研究,歸根到底是在尋找控制異步電動機轉矩的方法,稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調速、小體積、高效率和穩態轉速誤差小等特點在調速領域顯現優勢。

  無刷直流電機因為具有直流有刷電機的特性,同時也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為BLDC.無刷直流電機的運轉效率,低速轉矩,轉速精度等都比任何控制技術的變頻器還要好,所以值得業界關注.本產品已經生產超過55kW,可設計到400kW,可以解決產業界節電與高性能驅動的需求。

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