bsport体育:无刷直流电机简介

来源：bsport体育注册 作者：bsport体育登录|发布时间：2024-12-24 12:02:39

　　的结构与原理，以及如何控制。相信学过电机学的同学都已经了解了直流电机、感应电机和同步电机的基本特性。那么在电机学中并没有介绍无刷直流电机，这是因为它属于一种新型

　　首先来回顾一下传统的直流电机。直流电机的定子相当于磁极，它产生一个恒定的磁场，当转子绕组通电后，由于通电导体在磁场中受力，产生的转矩将会使转子旋转。直流电机的电刷在整个电机中起到了至关重要的作用。如下图所示，由于磁场方向恒定，要想转子持续的旋转，转子绕组中电流的极性就要在电机每转半圈后发生改变，这一过程称之为“换向”。电刷正是起到了换向的作用，施加在电刷两端的电压方向恒定，但此时绕组中的电流是交变的，即保证了在转子转动过程中，N极一侧绕组的电流永远向里，S极一侧永远向外，这才产生了连续的转矩，使得电机能正常工作。

　　但是电刷存在的问题就是它会随着时间的推移发生磨损，从而影响电机的性能。而无刷直流电机就不存在上述问题，因为它用电子换向器代替了电刷的机械换向。

　　无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor, BLDC），顾名思义，与直流电机有一定的联系。它的结构实际上可以看做是将直流电机的定转子倒置得到的。现在里面永磁体变成了转子，绕组变成定子分布在电机的外圆上。下图所示为一个一对极无刷直流电机的基本结构。

　　看到这里有人可能会发现，这样一来无刷直流电机的结构就跟永磁同步电机一模一样了。确实如此，电机学中讲过的同步电机也是转子采用永磁体来励磁，产生转子磁动势\vec{F_f}，定子绕组通三相对称电流产生一个空间旋转的磁动势\vec{F_s}，其基波可表示如下：

　　尽管结构基本一样，但是两者最大的区别就在于电机空载时绕组中产生的反电动势的波形。无刷直流电机由于采用集中绕组，因此反电动势为梯形波，而永磁同步电机采用分布式绕组，反电动势接近正弦波，这也就意味着这两种电机的气隙磁密波形B_\delta分别为梯形波和正弦波。

　　通过仿真可以观察到，无刷直流电机的反电动势波形波形包含了两端宽度约为120°的电压平稳区域，这也就意味着可以使用直流电压来控制无刷直流电机。使无刷直流电机具有和直流电机一样优越的调速性能。

　　在接下来的分析中采用一个BLDC的简化模型，转子为一对极，定子为三个空间上互差120°的绕组，即A,B,C三相绕组，如下图所示。

　　在BLDC的分析中，有一个非常重要的物理量：定转子的相对位置角\theta，即励磁轴线与A相绕组轴线的夹角。当A相绕组通以直流时，电磁转矩T将随\theta变化而变化，该关系称为矩角特性。由电磁力公式：F=B_\delta Il\propto B_\delta，故矩角特性和气隙磁密一样，也是一个梯形波。在转子转动一周的2π角度内，该梯形波可分为6个不同的区域。

　　如果能控制A相电流，当转子转到区域1,2的时候，给A相绕组通入直流；其他区域不通电流，那么A相绕组产生的转矩就接近一个120°的方波。

　　在实际中，为了能让电机获得更高的转矩密度，可以在转子转到4,5区域时给A相通入反向的电流，此时A相绕组产生的转矩平均值将扩大到原来的两倍。

　　同时，根据三相绕组的对称性，B相和C相产生的转矩也是相位互差120°的方波，三者叠加起来，恰好是一条水平的矩角特性。

　　由前面的分析可知，要想得到稳定的、恒定的转矩，需要A、B、C三相绕组在适当的时间通入波形一定的电流：即三相对称的120°方波。为了实现这一点，可以使用三相桥式电压源型逆变器给电机的定子绕组供电。

　　照顾一下还没有学过电力电子的同学，这里的VT1~VT6是六个开关管(IGBT)，是一种三端器件，正常使用时有两端接在电路里，另一极引出来（门极）用于控制。它们有两种状态：导通或关断，导通时可视为短路，关断时视为开路，而管子的开通和关断取决于门极是否有驱动信号。

　　如上图所示，将电机的三相绕组接成Y型。每个开关管按照120°方式导通，保证上下两管在同一时刻保证只有一个导通。开关管的导通顺序依次为：6,1—1,2—2,3—3,4—4,5—5,6—6,1，循环往复。转子每转动60°开关状态转换一次。

　　简单分析可以得到，按照这种方式驱动开关管，A,B,C三相绕组的电流波形就恰好和原来要求的一样了。

　　同时，由于某一时刻的开关状态与转子所在区域一一对应，且开关频率与电机的转速成正比。因此BLDC的控制必须使用位置检测器。

　　那么到这里已经讲解了如何通过控制开关管的导通和关断来得到一个稳定的转矩，使BLDC正常工作。但仅仅得到一个稳定的转矩还不够，控制转矩的大小进而控制转速才是电机控制的最终目的。无刷直流电动机是由转子位置角\theta控制逆变器主元件通、断，属于 “自控式变频”，也就是说，是因为电机转速变化才使频率发生变化的。位置检测器与逆变器一起构成电子换向器。要控制转速就应控制电动机的平均转矩T，即应该控制电机绕组三相电流的大小，也只需控制绕组两端电压U_d即可。

　　而改变电压的方法，通常是在逆变桥中采用PWM技术来实现。永磁无刷直流电动机由于采用了自控式变频的方式，因此控制系统的任务是通过PWM技术改变输入到电机的电压U_d，以控制绕组电流的大小，实现对电机转矩的控制，从而实现系统的调速。