无刷直流电动机(BLDC电动机)简介

2021-03-02 小编:52DIY 分类:DIY文章教程 阅读(187)
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这篇文章,我们将了解无刷电动机,也称为无刷直流电动机或BLDC电动机。我们将了解什么是BLDC电动机,其工作原理,如何正确驱动无刷直流电动机以及它的应用。

介绍

无刷直流电动机或BLDC电动机已成为现代驱动技术的重要贡献。它们的迅速普及已在家用电器,汽车工业,工业自动化,化学和医疗,航空航天和仪器仪表领域中得到越来越广泛的应用。

尽管它们已经被用于电动机和发电很长时间,但一千瓦以内的范围应用始终是有刷直流电机的天下。随着现代电力电子技术和微处理技术使小型无刷直流电动机在价格和性能方面都有很大的提升。

什么是无刷(BLDC)电机?

无刷直流电动机类似于有刷直流电动机,但和有刷直流电动机的区别正如其名一样,无刷电动机并不使用电刷进行换向,而是使用了驱动电路输入电流到定子中实现电子换向。在常规的有刷直流电动机中,电流是通过碳刷传输到转子上,而无刷电机的电流是直接传输到定子的线圈上。对比有刷电机,由于取消了碳刷,减少的碳刷花环的摩擦噪音,也没有碳刷的磨损,大大的提高了电机的寿命。

无刷电机布局

无刷直流电动机的构造

有刷和无刷电机之间的主要设计差异是用电子开关电路代替机械换向器。请记住,从定子和转子产生的磁场以相同的频率旋转的意义上来说,无刷直流电动机是一种同步电动机。

无刷电机有三种配置:单相,两相和三相。其中,三相BLDC是最常见的一种。

下图显示了BLDC电机的横截面。

无刷电机剖面图

从图中可以看到,无刷电机由两个主要部分组成:定子和转子。

定子

无刷电机电动机的定子结构与感应电动机相似。它由堆叠的硅钢片组成,并带有轴向切槽以用于绕线。无刷电机中的绕组与传统感应电动机的绕组略有不同。

无刷电机定子实物图

通常,大多数BLDC电动机由三个定子绕组组成,这三个定子绕组以星形或“ Y”形连接(无中性点)。另外,基于线圈,定子绕组进一步分为梯形电流驱动和正弦波电流驱动电动机。

无刷电机波形

在梯形电流驱动电动机中,驱动电流和反电动势均呈梯形形状(在正弦波驱动电动机的情况下为正弦形)。通常,在汽车和机器人技术(混合动力汽车和机器人手臂)中使用额定48 V(或以下)的电动机。

转子

无数电机的转子部分由永磁体(通常是稀土合金磁体,例如钕(Nd),Sa钴(SmCo)和钕,铁氧体和硼的合金(NdFeB))组成。

根据应用,极数可以在2到8个之间变化,北极(N)和南极(S)交替放置。下图显示了磁极的三种不同布置。在第一种情况下,磁体放置在转子的外周上。

无刷电机转子

第二种配置称为电磁嵌入式转子,其中矩形永磁体嵌入转子的铁心中。在第三种情况下,将磁体插入转子的铁芯中。

位置传感器(霍尔传感器)

由于无刷电机中没有电刷,因此换向是电子控制的。为了使电动机旋转,必须顺序地给定子绕组通电,并且必须知道转子的位置(即转子的北极和南极)才能精确地给一组特定的定子绕组通电。

通常使用霍尔传感器(根据霍尔效应原理工作)的位置传感器来检测转子的位置并将其转换为电信号。大多数BLDC电机使用三个霍尔传感器,这些传感器嵌入到定子中以检测转子的位置。

霍尔传感器的输出将是高电平还是低电平,这取决于转子的北极是南极还是北极附近。通过组合三个传感器的结果,可以确定通电的确切顺序。

工作过程原理

考虑以下在定子A,B和C中设置三个绕组的过程。为了便于理解,让我们用单个磁体替换转子。

无刷电机工作过程A

我们知道,当通过线圈施加电流时,会产生磁场,而磁力线的方向(即所产生的磁体的磁极)将取决于流过线圈的电流方向。

使用此原理,如果我们向线圈A提供电流,则它将产生磁场并吸引转子磁铁。转子磁铁的位置将沿顺时针方向稍微偏移,并与A对齐。

如果现在使电流一个接一个地流过线圈B和C(按此顺序),则转子磁体将沿顺时针方向旋转。

无刷电机工作过程B

为了提高效率,我们可以使用单个线圈缠绕相反的线圈,从而获得双重吸引力。为了进一步提高效率,我们可以同时为两个线圈通电,以便一个线圈吸引磁体,而另一个线圈排斥磁体。在此期间,第三个将处于空闲状态。

为了使转子磁铁完整地360 0旋转,可以应用线圈A,B和C的六种可能的组合,并在以下时序图中显示。

BLDC绕组时序图

根据上图,我们可以随时确认一个相为正,一个相为负,第三相为空闲(或浮动)。因此,根据霍尔传感器的输入,根据上图,我们有两个开关相位。

驱动无刷直流电动机

如果定子和转子是无刷电机必不可少的组成部分,则驱动电路同样必不可少。下图显示了典型的无刷直流电动机控制或驱动系统的框图。

BLDC驱动框图

该驱动电路通常被称为电子速度控制器系统或简称为ESC。一种常见的设置称为全桥驱动电路。它由一个带PWM输出的MCU,六个用于定子绕组三相的MOSFET,霍尔传感器的反馈以及一些与电源相关的组件组成。

无刷直流驱动电路框图

可以对MCU进行编程,以基于霍尔传感器的数据适当地切换MOSFET。

无刷电机的优势

由于无刷电动机是电子换向的,因此与传统的有刷DC电动机相比,具有许多优势:

  • 没有磨损(由于没有刷子)
  • 高效率
  • 更好的速度与扭矩特性
  • 长寿
  • 噪音少或无噪音运行
  • 转速更高

无刷直流电动机的应用

下面提到了无刷电机的一些应用领域:

  • 单速应用
  • 调速应用
  • 位置控制
  • 低噪音应用
  • 高速应用

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