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圖文講解無刷直流電機的工作原理

文章出處:x-teamrc.cn? ?人氣:? ?發表時間:2018-12-10 11:35

圖文講解直流無刷電機的工作原理
導讀:直流無刷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。它的應用非常廣泛,在很多機電一體化設備上都有它的身影。
什么是無刷電機?
直流無刷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。由于無刷直流電動機是以自控式運行的,所以不會像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,現在多采用高磁能級的稀土釹鐵硼(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。
無刷直流電動機是采用半導體開關器件來實現電子換向的,即用電子開關器件代替傳統的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優點,廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。
無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉子位置的變化,沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流(即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置,并在確定的位置處產生位置傳感信號,經信號轉換電路處理后去控制功率開關電路,按一定的邏輯關系進行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關電路提供。
位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。
采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機,其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用集成電路等)裝在定子組件上,用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。
采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機,在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉子上裝有遮光板,光源為發光二極管或小燈泡。轉子旋轉時,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。
采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機,是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關、LC諧振電路等),當永磁體轉子位置發生變化時,電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調制信號(其幅值隨轉子位置而變化)。
看看這個工程師怎么說?
首先給大家復習幾個基礎定則:左手定則、右手定則、右手螺旋定則。別懵逼,我下面會給大家解釋。
左手定則,這個是電機轉動受力分析的基礎,簡單說就是磁場中的載流導體,會受到力的作用。

讓磁感線穿過手掌正面,手指方向為電流方向,大拇指方向為產生磁力的方向,我相信喜歡玩模型的人都還有一定物理基礎的哈哈。
右手定則,這是產生感生電動勢的基礎,跟左手定則的相反,磁場中的導體因受到力的牽引切割磁感線產生電動勢。

讓磁感線穿過掌心,大拇指方向為運動方向,手指方向為產生的電動勢方向。為什么要講感生電動勢呢?不知道大家有沒有類似的經歷,把電機的三相線合在一起,用手去轉動電機會發現阻力非常大,這就是因為在轉動電機過程中產生了感生電動勢,從而產生電流,磁場中電流流過導體又會產生和轉動方向相反的力,大家就會感覺轉動有很大的阻力。不信可以試試。

三相線分開,電機可以輕松轉動

三相線合并,電機轉動阻力非常大
右手螺旋定則,用右手握住通電螺線管,使四指彎曲與電流方
向一致,那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。

這個定則是通電線圈判斷極性的基礎,紅色箭頭方向即為電流方向。
看完了三大定則,我們接下來先看看電機轉動的基本原理。
第一部分:直流電機模型
我們找到一個中學物理學過的直流電機的模型,,通過磁回路分析法來進行一個簡單的分析。

狀態1
當兩頭的線圈通上電流時,根據右手螺旋定則,會產生方向指向右的外加磁感應強度B(如粗箭頭方向所示),而中間的轉子會盡量使自己內部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致,以形成一個最短閉合磁力線回路,這樣內轉子就會按順時針方向旋轉了。
轉子磁場方向外部磁場方向垂直時,轉子所受的轉動力矩最大。注意這里說的是“力矩”最大,而不是“力”最大。誠然,在轉子磁場與外部磁場方向一致時,轉子所受磁力最大,但此時轉子呈水平狀態,力臂為0,當然也就不會轉動了。補充一句,力矩是力與力臂的乘積。其中一個為零,乘積就為零了。
當轉子轉到水平位置時,雖然不再受到轉動力矩的作用,但由于慣性原因,還會繼續順時針轉動,這時若改變兩頭螺線管的電流方向,如下圖所示,轉子就會繼續順時針向前轉動,

狀態2
如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向,內轉子就會不停轉起來了。改變電流方向的這一動作,就叫做換相。補充一句:何時換相只與轉子的位置有關,而與其他任何量無直接關系。
第二部分:三相二極內轉子電機
一般來說,定子的三相繞組有星形聯結方式和三角聯結方式,而“三相星形聯結的二二導通方式”最為常用,這里就用該模型來做個簡單分析。

上圖顯示了定子繞組的聯結方式(轉子未畫出假想是個二極磁鐵),三個繞組通過中心的連接點以“Y”型的方式被聯結在一起。整個電機就引出三根線A, B, C。當它們之間兩兩通電時,有6種情況,分別是AB, AC, BC, BA, CA, CB注意這是有順序的。
下面我看第一階段:AB相通電

當AB相通電,則A極線圈產生的磁感線方向如紅色箭頭所示,B極產生的磁感線方向如圖藍色箭頭所示,那么產生的合力方向即為綠色箭頭所示,那么假設其中有一個二極磁鐵,則根據“中間的轉子會盡量使自己內部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”則N極方向會與綠色箭頭所示方向重合。至于C,暫時沒他什么事。
第二階段:AC相通電

第三階段:BC相通電

第三階段:BA相通電

為了節省篇幅,我們就不一一描述CA\CB的模型,大家可以自己類推一下。以下為中間磁鐵(轉子)的狀態圖:

每個過程轉子旋轉60度

六個過程即完成了完整的轉動,其中6次換相。
第三部分:三相多繞組多極內轉子電機
      我們再來看一個復雜點的,圖(a)是一個三相繞組極(三對極)內轉子電機,它的繞組連線方式見圖 (b)。從圖(b)可見,其三相繞組也是在中間點連接在一起的,也屬于星形聯結方式。一般而言,電機的繞組數量都和永磁極的數量是不一致的(比如用9繞組6極,而不是6繞組6極),這樣是為了防止定子的齒與轉子的磁鋼相吸對齊。

其運動的原則是:轉子的N極與通電繞組的S極有對齊的運動趨勢,而轉子的S極與通電繞組的N極有對齊的運動趨勢。
即為S與N相互吸引,注意跟之前的分析方法有一定的區別。
好吧,還是再幫大家分析一下吧,
第一階段:AB相通電

第二階段:AC相通電


 
第三階段:BC相通電

第四階段:BA通電

第五階段:CA通電

第六階段:CB通電

以上為六個不同的通電狀態,其中經歷了五個轉動過程。每個過程為20度。

第四部分:外轉子直流無刷電機
看完了內轉子直流無刷電機的結構,我們來看外轉子的。其區別就在于,外轉子電機將原來處于中心位置的磁鋼做成一片片,貼到了外殼上,電機運行時,是整個外殼在轉,而中間的線圈定子不動。外轉子直流無刷電機較內轉子來說,轉子的轉動慣量要大很多(因為轉子的主要質量都集中在外殼上),所以轉速較內轉子電機要慢,通常KV值在幾百到幾千之間。也是航模主要運用的無刷電機
順便啰嗦一下吧。無刷電機KV值定義為:轉速/V,意思為輸入電壓每增加1伏特,無刷電機空轉轉速增加的轉速值。比如說,標稱值為1000KV的外轉子無刷電機,在11伏的電壓條件下,最大空載轉速即為:11000rpm(rpm的含義是:轉/分鐘)。
同系列同外形尺寸的無刷電機,根據繞線匝數的多少,會表現出不同的KV特性。繞線匝數多的,KV值低,最高輸出電流小,扭力大;繞線匝數少的,KV值高,最高輸出電流大,扭力小。我先前測試過穿越機2204電機的極限電流,單電機能彪上25A,而2212系列電機15A都上不了。
外轉子直流無刷電機的結構:

分析方法也和內轉子電機類似,大家可以自己分析一下,根據右手螺旋定理判斷線圈的N/S極,轉子永磁體的N極與定子繞組的S極有對齊(吸引)的趨勢,轉子永磁體的S極與定子繞組的N極有對齊(吸引)的趨勢,從而驅動電機轉動。
經典無刷電機2212 1000kv電機結構分析。

圖為DJI 2312S電機和XXD 2212電機的(解剖圖)
其結構如下:定子繞組固定在底座上,轉軸和外殼固定在一起形成轉子,插入定子中間的軸承。

圖為xxd2212線圈拆解圖

圖為12繞組14極(即7對極),電機繞組繞發圖。
后面畫出了6種兩相通電的情形,可以看出,盡管繞組和磁極的數量可以有許多種變化,但從電調控制的角度看,其通電次序其實是相同的,也就是說,不管外轉子還是內轉子電機,都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的順序進行通電換相。當然,如果你想讓電機反轉的話,電子方法是按倒過來的次序通電;物理方法直接對調任意兩根線,假設A和B對調,那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA,大家有沒有發現這里順序就完全倒過來了。

AB相通電

AC相通電

BC相通電

BA相通電

CA相通電

CB相通電
要說明一下的是,由于每根引出線同時接入兩個繞組,所以電流是分兩路走的。這里為使問題盡量簡單化,下面幾個圖中只畫出了主要一路的電流方向,還有一路電流未畫出,另一路電流的具體情況放在后面進行分析,涉及到電路檢測換相位置。