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无刷直流电动机

无刷直流电动机是指一种用电子换向的小功率直流电动机,又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。在结构上相当于一台反装式直流电动机,它的电枢放置在定子上,转子为永磁体。它的电枢绕组为多相绕组,一般为三相,可接成星形或三角形。各相绕组分别与电子换向器电路中的晶体管开关连接。

在无刷直流电动机的转子轴上装有转子位置检测器、测速发电机和光电脉冲编码器。转子位置检测器的输出信号控制电子换向器,实现对电动机的换向,即电子换向器中的晶体管的导通与截止由转子位置检测器的输出信号决定。测速发电机的输出信号用于速度反馈。而光电脉冲编码器的信号送入CNC装置。用于位置反馈。转子位置检测器有多种类型,但其输出信号的波形均为三路方波。 [1]

一种用电子换向的小功率直流电动机。又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器,构成没有换向器的直流电动机。这种电机结构简单,运行可靠,没有火花,电磁噪声低,广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。

无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。

无刷直流电动机由和一套受位置检测器控制的自控式逆变器组成。中小型电机的逆变器一般由晶体管组成;大型电机的逆变器通常采用晶闸管构成,称为晶闸管电动机

无刷直流电动机中采用的是自控式逆变器。它与一般的逆变器不同。它的输出频率不是独立调节的,而是受安装在同步电动机轴上的转子位置检测器控制。每当转子转过一定位置(例如90°或120°电角度),位置检测器便产生相应的信号,作用于对应的半导体元件,使相应的相绕组通电,产生转矩。电动机转子每转过一对磁极,各半导体元件轮流导通一周,逆变器输出的交流电相应地变化一个周期。所以自控式逆变器的输出频率和电动机的转速始终保持同步,不会出现失步现象。

在小型无刷直流电动机中,逆变器由晶体管组成。由于晶体管具有自关断能力,只要其基极上的控制信号消失,晶体管就自行关断,所以控制比较简单。在容量较大的无刷直流电机中,逆变器由晶闸管组成。晶闸管没有自关断能力,不能靠除去触发信号使其关断。所以当一相电流需要截止,让另一相通电时,如何关断原先导通的晶闸管,把电流转移到新的一相晶闸管,即晶闸管之间的换流问题是晶闸管电机的技术关键。

装在电动机轴上的转子位置检测器是无刷直流电机的重要部件。它决定着电枢各相绕组开始通电的时刻。它的作用相当于一般直流电机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻(相位),相当于直流电机中改变电刷在空间的位置,对无刷直流电机的特性有很大的影响。位置检测器的结构型式很多,它通常包括一组静止的探测元件和一个随电机转子一起转动的位置信号形成器。在由霍耳元件构成的位置检测器中,霍耳元件就是探测元件,而电机转子磁极本身就是位置信号形成器。在其他的结构中,如电磁感应式、光电式、按近开关式中,常利用一个带缺口的圆盘作为位置信号形成器。例如,在光电式中利用这个缺口使光线照射到光电管上产生信号;在电磁感应式中用这个缺口改变开口变压器的磁路,使检测线圈中产生电动势等等。

无刷直流电机的外特性好,能够在低速下输出大转矩,使得它可以提供大的起动转矩;
  无刷直流电机的速度范围宽,任何速度下都可以全功率运行;
  无刷直流电机的效率高、过载能力强,使得它在拖动系统中有出色的表现;
  无刷直流电机的再生制动效果好,由于它的转子是永磁材料,制动时电机可以进入发电机状态;
  无刷直流电机的体积小,功率密度高;
  无刷直流电机无机械换向器,采用全封闭式结构,可以防止尘土进入电机内部,可靠性高;
  无刷直流电机比异步电机的驱动控制简单。

无刷直机电机的驱动方式按不同类别可分多种驱动方式,它们各有特点。
  按驱动波形:
  方波驱动,这种驱动方式实现方便,易于实现电机无位置传感器控制;
  正弦驱动,这种驱动方式可以改善电机运行效果,使输出力矩均匀,但实现过程相对复杂。同时,这种方法又有 SPWM 和 SVPWM(空间矢量 PWM)两种方式,SVPWM的效果好于 SPWM。

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