| 二相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流永磁電動機工作原理 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Brushless Direct Current Permanent Magnet Motor Principle | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
直流電動機運行效率高、調(diào)速性能好，直流永磁電動機又有節(jié)能的優(yōu)點，但電機中的電刷換向器存在火花、無線電干擾、噪聲，因磨損而壽命短，使直流電動機的應用受到很大限制。近年來功率電子器件的迅速發(fā)展使得采用電子開關代替換向器成為現(xiàn)實，無刷直流永磁電動機才得以迅速發(fā)展。 有電刷直流永磁電動機工作原理還是基于通電導體在磁場中受力的原理，而無刷直流永磁電動機的工作原理則不同，是靠定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場間的作用力拉動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的。定子的基本結(jié)構(gòu)類似交流三相電機，三個線圈繞組由電子開關元件按規(guī)律接通直流電源形成旋轉(zhuǎn)磁場，從而拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 ABC三組線圈的連接方式也與交流電機的三相線圈一樣，有星形接法與三角形接法，圖1下左是星形接法，圖1下右是三角形接法。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖1 星形接法與三角形接法 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 星形接法在無刷直流永磁電動機應用較多，圖2是星形接法線圈與電子換向器的連接圖，由換向器中六個開關晶體管BG1至BG6組成的橋式電路切換通過ABC三個線圈的電流。例如BG1與BG5導通時電流從A線圈流進B線圈流出；如果BG2與BG4與BG6導通時電流從B線圈流進從A線圈與C線圈并聯(lián)流出。每個開關晶體管旁并聯(lián)有續(xù)流二極管為開關晶體管關斷時提供續(xù)流通路。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖2 電子換向器電路示意圖 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 我們通過一個實際的結(jié)構(gòu)模型來展示三個線圈電流的切換順序，這是一個典型結(jié)構(gòu)，模型由六槽結(jié)構(gòu)的定子與兩極永磁轉(zhuǎn)子組成，圖3是六槽定子示意圖，定子內(nèi)圓周有六個嵌線槽。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖3 六槽定子鐵芯 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 在嵌線槽內(nèi)嵌有ABC三個線圈，三個線圈按星形連接，圖4是嵌有線圈的定子示意圖。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖4 三個線圈嵌線圖 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成，可在定子內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，見圖5。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖5 定子與永磁轉(zhuǎn)子 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 用該模型的正視圖來表演線圈磁場的切換與轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)動的過程，在圖中用兩根平行的箭頭來表示線圈產(chǎn)生磁場的方向，以此圖作動畫，見圖6。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖6 定子線圈與轉(zhuǎn)子磁場 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
根據(jù)圖2的星形接法線圈與電子換向器的連接圖與下面動畫的截圖來說明開關晶體管是如何控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，圖中標注的“紅色A+、B+、C+”表示相應線圈與電源正極接通，“藍色A-、B-、C-”表示相應線圈與電源負極接通。 當開關管BG1與BG5導通時，電流由A組線圈進B組線圈出，兩個線圈形成的合成磁場方向向上，規(guī)定此時的磁場方向為0度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為0，見圖7左。 當開關管BG1與BG6導通時，電流由A組線圈進C組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到60度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到60度，見圖7右。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖7 無刷直流永磁電動機原理圖-1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60度時，開關管BG2與BG6導通時，電流由B組線圈進C組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到120度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到120度，見圖8左。 當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到120度時，開關管BG2與BG4導通時，電流由B組線圈進4組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到180度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到180度，見圖8右。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖8 無刷直流永磁電動機原理圖-2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到180度時，開關管BG3與BG4導通時，電流由C組線圈進A組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到240度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到240度，見圖9左。 當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到240度時，開關管BG3與BG5導通時，電流由C組線圈進B組線圈出，形成的磁場方向順時針轉(zhuǎn)到300度，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)到300度，見圖9右。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖9 無刷直流永磁電動機原理圖-3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到300度時，將回到初始狀態(tài)，開關管BG1與BG5導通，電流由A組線圈進B組線圈出，磁場方向轉(zhuǎn)回0度，轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)回0度，完成一周旋轉(zhuǎn)，見圖7左。 如果需要電動機反轉(zhuǎn)，將以上一周的六個開關狀態(tài)順序反過來執(zhí)行即可，當然開始反轉(zhuǎn)的開關狀態(tài)必須與正轉(zhuǎn)結(jié)束時的開關狀態(tài)相銜接，而且要有緩沖時間。 以上控制方式在任何時間都是兩相線圈導通，一周內(nèi)有六種狀態(tài)，故稱之為“二相導通星形三相六狀態(tài)”，是一種常用的控制方式。 在后面我們可通過動畫更直觀的看到轉(zhuǎn)子隨磁場轉(zhuǎn)動的過程。 控制器是如何知道轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到該切換的位置呢，這就靠轉(zhuǎn)子位置檢測裝置，目前主要采用光電器件或霍爾元件進行位置檢測。在此我們介紹一下光電傳感元件，圖10是光電開關元件，左邊是透射式光電開關，右邊是反射式光電開關，都是由發(fā)光二極管與光敏三極管組成，一般封裝在一個模塊里。 在透射式光電開關里，發(fā)光二極管發(fā)出的光線照到光敏三極管使之導通，當有物體在兩者之間隔斷光線時光敏三極管截止，這樣就可以檢測到通過光電開關的物體了。 在反射式光電開關里，發(fā)光二極管發(fā)出的光線經(jīng)物體反射到光敏三極管使之導通，沒有物體在附近時光敏三極管截止，這樣就可以檢測到經(jīng)過光電開關旁的物體了。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖10 光電開關元件 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 本模型采用透射式光電開關元件，三個光電開關元件依轉(zhuǎn)軸為軸線按120度排列，在轉(zhuǎn)軸上固定一個半圓形的遮光板，見圖11，當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時遮光板將斷續(xù)切斷光電開關的光線，光電開關便輸出開關信號，光電開關元件與遮光板組成轉(zhuǎn)子位置檢測裝置。準確安裝位置檢測裝置可實現(xiàn)在一周內(nèi)準確發(fā)出六段控制信號，使控制器準確切換各線圈的電流，使電動機順暢的旋轉(zhuǎn)。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖11 轉(zhuǎn)子位置檢測裝置 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
近年來流行無位置檢測裝置的無刷直流永磁電動機，可使電機結(jié)構(gòu)更簡單，運行更可靠，一般是通過以下方法來獲取轉(zhuǎn)子的位置信號：利用線圈產(chǎn)生的反電動勢變化來獲取轉(zhuǎn)子的位置信號；通過檢測導通線圈的續(xù)流二極管狀態(tài)來獲取轉(zhuǎn)子的位置信號；還有其他方法。相關內(nèi)容請參閱有關資料。 圖12是六槽無刷直流永磁電動機模型的結(jié)構(gòu)示意圖。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
圖12 六槽無刷直流永磁電動機模型
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