直流無刷電動機
無刷直流馬達(英語:Brushless DC Motor)或稱直流無刷電機或BLDC电机,是沒有電刷和整流子的電動機,根據轉子永久磁鐵位置調整定子電流以產生轉矩。雖然是稱“直流”馬達,但实际上是一种使用三相电的永磁同步电动机(PMSM)。之所以被称为“无刷直流电机”是因为在许多应用中该电机可以替换有刷直流电机。因此,BLDC电机也被称为EC(电子换向)电机,以便与包含电刷的机械换向电机进行区分[1]。
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e4/Motor_BD.gif)
BLDC电机利用電力電子技術(变频器)輸入控制訊號到馬達,以切換直流電的開關和通過的線圈組,而得到力矩使轉子轉動。但這些控制信號,波形沒有限制。方波驱动的称为BLDC,用于位置要求不是很高的场合;正弦波驱动的称PMSM,用于伺服场合[2]。
发展
早在1917年Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷的想法。1955年,美国D. Harrison等人申请用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利,标志着现代无刷电机的诞生。[3]
结构
較簡單的結構是有一枚永久磁鐵及至少兩組(四個端子)線圈,兩組線圈輪流開關。永久磁鐵是轉子,線圈是定子。當磁鐵與線圈成一直線的時候,斷開該組線圈,啟動下一組線圈。[4]
定子
BLDC电机的定子与感应电机的定子相似,是由绝缘铸钢叠片组成,可以降低涡流的电流损失。多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组,绕组置于沿内部圆周的轴向冲压槽中。直径小于40mm的电机会采用无齿槽设计:它的定子没有铁芯,铁损大幅减少,因此能效等级更高。[5]
转子
转子用永磁体制成,转子里是没有线圈的。可有2到8对磁极,南磁极和北磁极交替排列。使用稀土合金磁体可以提高磁通密度,缩小转子体积。永磁体在转子上的安装方式多种多样:表贴式永磁(SPM)将永磁体装在转子铁芯外圆表面,通常见于高功率密度电机;表面嵌入式永磁(SIPM)电机的永磁体放在转子外表面的凹槽中,使得整个转子为圆柱形,提高了机械强度,防止永磁体在高速旋转时飞出;内置式永磁(IPM)转子结构的机械结构可靠,但安装工艺复杂,多用于高速电机。[6]
类型
BLDC电机有内转子电机和外转子电机两种结构类型。内转子电机的优势在于转子的转动惯量低,散热非常快,在大多数工业应用中广泛使用。外转子电机的定子位于内侧,转子包括一个能够旋转外壳,磁体安装在外壳上,定子发热线圈与环境隔绝,散热相对较慢。由于转子的转动惯量转矩很大且很难控制转子外壳的平衡,所以外转子电机不适用于旋转速度很高的模式。但外转子电机可以拥有更短的结构并通常具备更小的停转转矩,而由于在相同的磁力下,它的转子直径更大,因此其转矩也更大。[7]
- 外轉子設計的永磁直流無刷馬達
以定子绕组中线圈的互连方式分为梯形和正弦电机。采用集中整距绕组时,感应电动势为梯形波,称为永磁无刷直流电机(BLDC);分布绕组时,永磁转子形成正弦磁场,称为永磁同步电机(PMSM)。新型向量控制技术已对无刷直流电机使用正弦波控制,使得转矩波动和低速性能均有较大改善。正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑,但因为绕组之间有额外的互连,从而增加了耗铜量。永磁无刷直流电机(梯形波)的功率密度比永磁同步电机(正弦波)大15%[10]。
控制
在控制BLDC电机时,一般使用的是逆变器电路[11],例如脉冲宽度调制(PWM),通过调整脉冲占空比(ON/OFF)改变电压:若ON的比率较高,可以得到和提高电压相同的效果;若ON的比率下降,则可以得到和电压降低相同的效果。另外,BLDC电机的控制是配合着转子(永磁体)的位置(角度)进行的。因此,电机控制还需要获取转子位置。[12]
霍尔传感器
多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器(Hall sensor)。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时,它们便会发出一个高电平或低电平信号,表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合,就能决定换向的精确顺序。每次换向,都有一个绕组连到控制电源的正极,第二个绕组连到负极,第三个处于失电状态。六步换向定义了给绕组加电的顺序。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。[13]
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
V1/V2(U) | -1 | 0 | +1 | +1 | 0 | -1 | |
V3/V4(V) | +1 | +1 | 0 | -1 | -1 | 0 | |
V5/V6(W) | 0 | -1 | -1 | 0 | +1 | +1 |
从技术上来说,霍尔传感器和块换向组合是驱动BLDC电机的最简单方法。这种技术的劣势在于,由于切换过程不连续,在块换向中,会产生以此为峰值的转矩波动,其频率为电机电动旋转频率的六倍。这会引发振动和噪音;低速下尤其如此,电机不会始终均匀地旋转[14]。通电的理想形式是正弦换向,永磁同步电动机(PMSM)的每个绕组都由一个120°正弦波供电,从而产生强度恒定并持续旋转的定子磁场。一般来说,对于精密控制合成磁通量的矢量控制,转角传感器(Angle Sensor)或光电编码器等高精度传感器较为有效。[15]
电机类型 | 传感器种类 | 主要用途 | 特征 |
---|---|---|---|
BLDC | 霍尔效应传感器 | 梯形波、120度通电控制 | 每60度获取一次信号,价格较低,不耐热。 |
PMSM | 光电编码器 | 正弦波控制、矢量控制 | 分辨率高,但抗震性、防尘能力较弱,成本较高。 |
转角传感器 | 正弦波控制、矢量控制 | 分辨率高,适用于恶劣环境。 |
无传感器控制
BLDC电机可以通过监视反电动势信号,而不是霍尔传感器信号来换向。在既定电机磁通量和绕组数固定的情况下,反电动势的幅度与电机的旋转速度成正比。无传感器控制简化了电机结构(不需要附加绕组),节约了成本,但当电机处于静止状态时,无法获得转子位置,因而需要一种特殊的启动方法。当电机在控制模式下运转多个换向周期直到获得一定速度后,无传感器测量便能够确定转子位置。无传感器控制的BLDC电机适合安装在难以检修的位置,或在多灰尘、多油的环境中运行,但不适合需要较低速度的应用,因为此时反电机势很小而难以测量,会造成工作效率不高。[17]
无传感器BLDC电机的控制系统由一个MCU控制芯片加上一个IGBT或MOSFET驱动器组成[18],外设器件有三相PWM、ADC和用于过流保护的比较器。[19]
控制参数 | V/Hz控制 | 矢量控制 | 无传感器矢量控制 |
---|---|---|---|
速度调节 | 1% | 0.001% | 0.05% |
转矩调节 | 差 | ±2% | ±5% |
电机模型 | 不要求 | 要求 | 要求精确的模型 |
MCU处理功率 | 低 | 高 | 高+DSP |
特性
BLDC电机的转矩在达到额定值之前都保持不变。电机可达最大转速是额定转速的150%,但从超过额定转速起转矩开始下降。
與傳統有刷式直流電動機相比,無刷式較為安全和可靠。碳刷長期使用有碳粉,高溫環境下,碳粉可能會爆炸。因此,需要定期清理,同時保養成本較高。但同樣的去除電刷需要使用電子技術,不是透過簡單改變電壓就能控制定子的轉動了。[21]
特性 | BLDC | 交流感应电机 |
---|---|---|
转速/转矩特性 | 特性曲线平坦,在负载额定的条件,可在所有转速下正常工作。 | 特性曲线非线性,低转速下转矩也低。 |
输出功率/体积 | 功率密度高,由于转子采用永磁体,体积较小 | 功率密度中等,由于定子和转子都有绕组,输出功率与体积之比低于BLDC。 |
转子惯性 | 惯性小,动态特性较佳 | 惯性大,动态特性较差 |
起动电流 | 额定值,无需专门的启动电路。 | 大约是额定值的7倍,应谨慎选择合适的启动电路。通常使用星型-三角形启动器。 |
控制要求 | 要保持电机运转,始终需要控制器。还可使用这一控制器控制转速。 | 固定转速不需要控制器,只有需要改变转速时才需要控制器。 |
差频 | 定子和转子磁场的频率相等 | 转子运行频率低于定子磁场。差频随着电机负载的增大而增加。 |
应用
恒定负载
如风扇、泵、吹风机这类应用需要低成本控制器,多数运行在開迴路状态。[23]
变化负载
家用电器中的洗衣机、干衣机、压缩机,汽车上的燃料泵、电子转向、引擎控制,航空航天领域中的离心机、机械臂、陀螺仪控制等可能使用转速反馈设备,运行在半闭环或全闭环状态。这些应用使用高级控制算法,从而增加了控制器的复杂性,提高了整个系统的造价。[24]
定位应用
机械齿轮或定时传送带等应用中转速和转矩的动态响应很重要,并且可能需要频繁切换转向。可能需要有三个控制环同时工作:转矩控制环、转速控制环和位置控制环。[25]
参见
参考文献
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