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无刷直流电机(BLDC Motor)简介

在本教程中,我们将学习无刷电机也称为无刷直流电动机或无刷直流电动机。我们将了解什么是无刷直流电动机,它的工作原理,如何正确地驱动无刷直流电动机和少数应用。

简介

无刷直流电动机或无刷直流电动机已成为现代驱动技术的重要贡献者。它们的迅速普及已经看到了在消费电器、汽车工业、工业自动化、化学和医疗、航空航天和仪器仪表等领域越来越广泛的应用。

尽管它们已经被用于驱动和发电很长一段时间了,但一直被直流电动机主导的亚千瓦范围一直是一个灰色地带。但现代电力电子和微处理器技术已经允许小型无刷直流电机蓬勃发展,无论是在价格和性能方面。

什么是无刷直流电动机?

无刷直流电动机类似于有刷直流电动机,但顾名思义,无刷直流电动机不使用电刷换向,而是电子换向。在传统的拉丝直流电动机,电刷是用来传送电力到转子,因为他们在一个固定的磁场转动。

如前所述,无刷直流电动机使用电子换向,因此消除了机械撕裂电刷。

无刷直流电机框图

无刷直流电动机的构造

有刷电机和无刷电机之间的主要设计区别是用电子开关电路取代机械换向器。记住,无刷直流电动机是一种同步电机,在这种意义上,定子和转子产生的磁场以相同的频率旋转。

无刷电机有三种配置:单相,两相和三相。其中三相无刷直流电动机是最常见的一种。

下图显示无刷直流电动机的横截面。

刷截面

如图所示,无刷直流电动机由两个主要部分组成:定子和转子。

定子

无刷直流电动机的定子结构与感应电动机的定子结构相似。它是由堆叠的钢层压片和轴向切割槽用于缠绕。无刷直流电动机的绕组与传统感应电动机略有不同。

无刷直流电机定子

一般来说,大多数无刷直流电动机由三个定子绕组组成,以星形或“Y”形连接(没有中性点)。此外,根据线圈的相互连接,定子绕组又分为梯形电机和正弦电机。

无刷直流电动机反电势

在梯形电机中,驱动电流和反电动势都是梯形的形状(正弦电机的情况下是正弦形状)。通常,48v(或更低)额定电机用于汽车和机器人(混合动力汽车和机械臂)。

转子

无刷直流电动机的转子部分由永磁体(通常是稀土合金磁铁,如钕(Nd),钐钴(SmCo)和钕,铁氧体和硼合金(NdFeB))组成。

根据应用的不同,极点的数量可以在2到8个之间变化,北(N)和南(S)极点交替放置。下图展示了三种不同的极点排列方式。在第一种情况下,磁铁被放置在转子的外围。

无刷直流电机转子

第二种配置称为磁嵌转子,其中矩形永磁体嵌入到转子的核心。在第三种情况下,磁铁被插入转子的铁芯。

位置传感器(霍尔传感器)

由于无刷直流电动机中没有电刷,整流是由电子控制的。为了使电机旋转,定子绕组必须按顺序通电,并且必须知道转子的位置(即转子的南北极),以便精确地给一组特定的定子绕组通电。

位置传感器,通常是霍尔传感器(根据霍尔效应原理工作),通常用于检测转子的位置,并将其转换为电信号。大多数无刷直流电动机使用嵌入定子的三个霍尔传感器来感知转子的位置。

霍尔传感器的输出将是高或低取决于转子的北极或南极是否经过它附近。通过结合三个传感器的结果,可以确定准确的激励顺序。

读到如何使用arduino霍尔效应传感器?

工作原理

考虑下面定子A、B和c三个绕组的设置。为了便于理解,让我们用一个磁铁替换转子。

刷工作1

我们知道,当电流通过线圈时,就会产生磁场,磁力线的方向,即产生的磁极的方向,将取决于流过线圈的电流的方向。

利用这个原理,如果我们给线圈A提供电流,它就会产生磁场,吸引转子磁铁。转子磁铁的位置将轻微顺时针移动,并与A对齐。

如果我们现在让电流依次通过线圈B和C(按此顺序),转子磁铁将顺时针方向旋转。

刷工作2

为了提高效率,我们可以用一个线圈绕相反的线圈,这样我们就得到了双重的吸引力。进一步提高效率,我们可以同时给两个线圈通电,这样一个线圈会吸引磁铁,另一个线圈会排斥它。在此期间,第三台将闲置。

完整的360度0转子磁铁的旋转,线圈A, B和C的六种可能的组合是适用的,如下面的时序图所示。

刷圈计时

根据上面的图表,我们可以确认在任何时候,一个相是正的,一个相是负的,第三个相是空闲的(或浮动的)。因此,根据霍尔传感器的输入,我们有两个相位开关,如上图所示。

驱动无刷直流电机

如果定子和转子是无刷直流电动机不可或缺的组成部分,那么驱动电子元件也同样不可或缺。典型的无刷直流电机控制或驱动系统框图如下图所示。

无刷直流电机驱动框图

这种驱动电路通常被称为电子速度控制器系统或简称ESC。一种常见的设置叫做全桥驱动电路。它由一个具有PWM输出的MCU组成,六个场效电晶体对于定子绕组的三相,霍尔传感器和一些电源相关部件的反馈。

刷驱动电路

MCU可以根据霍尔传感器的数据进行编程,以适当地切换mosfet。

无刷直流电机的优点

由于无刷直流电动机是电子换向,与传统的有刷直流电动机相比有几个优点。其中一些是:

  • 无磨损(因为没有刷子)
  • 效率高
  • 更好的速度和扭矩特性
  • 寿命长
  • 少噪音或无噪音操作
  • 显著提高转速

无刷直流电机的应用

无刷直流电动机的一些应用领域如下:

  • 单速应用程序
  • 调速应用程序
  • 位置控制
  • 低噪声的应用程序
  • 高速度的应用程序

8反应

  1. 我是电气工程师。
    当我寻找低瓦吊扇用于太阳能发电时,我知道BLDC科技的吊扇比传统的交流吊扇只需要50%的功率。

    但销售人员无法解释这背后的技术。

    你的专题帮助我清楚地了解无刷直流电动机是如何工作的,非常感谢!!

  2. 这个名字容易误导人。基本上这是一个永磁转子,三相交流同步电机。
    只有馈电源是直流的。交流是由电子产生一个可变的频率三相驱动电压。

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