永磁無刷直流電機的原理與結(jié)構(gòu)

永磁無刷直流電機的原理與結(jié)構(gòu)

無刷光滑電機（blocm）使用電子分離器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械刷子和機械變換裝置，結(jié)構(gòu)簡單，無機械損壞，使用壽命穩(wěn)定。同時還具有調(diào)速精度高、高效率、高啟動轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用。伴隨著永磁材料的高速發(fā)展,它的矯頑力高、剩磁大、磁能積高等優(yōu)點,可以極大地減小無刷直流電機的本體體積和重量,因此永磁材料與無刷直流電機的有機結(jié)合便誕生了永磁無刷直流電機。永磁無刷直流電機廣泛應(yīng)用于計算機外圍設(shè)備(如硬盤、軟盤和光盤存儲器)、家電產(chǎn)品、醫(yī)療器械和電動車上,目前無刷直流電機的轉(zhuǎn)子都普遍使用永磁材料組成的磁鋼,并且在航空、航天、汽車、精密電子等行業(yè)也被廣泛應(yīng)用。1刷直流電機的磁場技術(shù)永磁無刷直流電機主要包括電機本體、開關(guān)控制線路和位置傳感器,其原理框圖如圖1所示。直流電源通過開關(guān)控制線路向電機定子繞組供電,可以單相也可以多相供電。位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子所處的位置,并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止,從而控制定子繞組的通斷電,實現(xiàn)電子換相。圖2所示為永磁無刷直流電機的一種基本結(jié)構(gòu),其主要由軸承、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子、磁鋼、定子和位置傳感器組成。轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸通過過盈配合或螺釘聯(lián)接,緊密聯(lián)接在一起,轉(zhuǎn)子材料多為磁導(dǎo)率較高的軟磁合金,矯頑力小,磁勢低。磁鋼采用永磁體,通常采用扇形瓦片狀的結(jié)構(gòu),充磁方向可為徑向或切向,一般徑向提供的氣隙磁通更大一些。磁鋼的內(nèi)圓表面與轉(zhuǎn)子的外圓表面靠磁吸力緊密吸合,并在接合面上涂以適當(dāng)?shù)恼辰觿?用以保證轉(zhuǎn)子和磁鋼的聯(lián)接強度可靠;定子繞組緊密纏繞在鐵芯疊片上,鐵芯疊片由厚度很薄的若干片壓制而成,彼此之間有絕緣層,可以有效減少渦流損耗。在永磁無刷直流電機的磁場中,磁鋼都采用永磁體作為激勵磁源,取代傳統(tǒng)的勵磁線圈,可以產(chǎn)生穩(wěn)定的永磁場。永磁場包括主磁場和漏磁場,漏磁場為磁能損耗的磁場,不對外做功;主磁場是做功的磁場,一般由磁鋼、轉(zhuǎn)子和氣隙產(chǎn)生。在氣隙中的磁路磁阻較大,為線性磁路,也是切割定子繞組做功的磁路。通過磁場切割定子繞組,帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),從而將電能轉(zhuǎn)化為機械能。2主要部件的應(yīng)用2.1電機的轉(zhuǎn)子和磁鋼電極的復(fù)合結(jié)構(gòu)定子與轉(zhuǎn)子構(gòu)成了電機本體的主要部分,目前主要有兩種基本結(jié)構(gòu):內(nèi)轉(zhuǎn)子、外定子的結(jié)構(gòu)和外定子、內(nèi)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。在前者的結(jié)構(gòu)中,轉(zhuǎn)子為運動件,通過一定聯(lián)接方式聯(lián)接在轉(zhuǎn)軸上,定子為靜止件,通過兩者的相對運動,完成磁能向機械能的轉(zhuǎn)變。后者結(jié)構(gòu)是定子作為轉(zhuǎn)動件,聯(lián)接在轉(zhuǎn)軸上,隨之一起轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子和磁鋼作為靜止件,固定在電機機架上。電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法,同三相異步電動機十分相似。在傳統(tǒng)的直流無刷電機中,定子通常采用鐵芯疊片結(jié)構(gòu),鐵芯由多層薄鋼片疊壓后緊固而成,以此來嵌放定子繞組,并作為主磁路的一部分。這種結(jié)構(gòu)既增加了電機的重量,又不能根本消除渦流,產(chǎn)生了鐵損。目前越來越多地使用空心杯定子,即定子座采用非金屬材料,取代傳統(tǒng)的鐵芯,定子繞組嵌繞在定子座上,并通過環(huán)氧樹脂澆注在定子座上。由于沒有鐵芯,減小了鐵芯外形的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩,磁通量通過鐵芯產(chǎn)生的渦流也不存在了,提高了電氣效率。2.2電機的換來繼續(xù)發(fā)布位置傳感器的作用主要是通過測定轉(zhuǎn)子磁鋼的位置,來提供電機的換相信號,并可以完成測速。無刷直流電機常用的位置傳感器有三類:電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器和霍爾式置傳感器。2.2.1導(dǎo)磁盤的安裝電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實現(xiàn)其位置測量作用的。它一般由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子組成,轉(zhuǎn)子是一個用非導(dǎo)磁材料(諸如銅或鋁等)制成的圓盤,并在其上鑲嵌扇形的導(dǎo)磁材料。安裝時轉(zhuǎn)子與電機轉(zhuǎn)軸同軸聯(lián)接,并對應(yīng)于某一個磁極。定子是由高頻導(dǎo)磁的材料制成,分成若干極,并繞有線圈。當(dāng)轉(zhuǎn)子處在一定的位置時,電機繞組線圈所產(chǎn)生的磁通通過轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁材料耦合到定子上的線圈,并產(chǎn)生感應(yīng)電壓,從而使導(dǎo)磁扇片跟著電機轉(zhuǎn)動。電磁式位置傳感器的特點是輸出信號大、工作可靠、適應(yīng)性強,但它信噪比較低,體積較大,因此目前逐漸淡出永磁無刷直流電機中。2.2.2之間的約束副光電式位置傳感器一般有絕對式和增量式兩種傳感器,這里以增量式傳感器為例進行說明。光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng),通過莫爾條紋技術(shù),將一對光柵副形成的莫爾條紋,轉(zhuǎn)換成電量。當(dāng)動、靜光柵相對運動時,莫爾條紋明暗變化,光電轉(zhuǎn)換元件將交替變化的光信號轉(zhuǎn)換成交替變化的電信號,并以數(shù)字代碼形式輸出。從原理上講,編碼器工作過程是非接觸式的,無摩擦磨損,可以大大延長儀器的使用壽命,提高編碼器的可靠性;同時編碼器的輸出容易數(shù)字化,便于獲得高的測量和控制精度。編碼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用散裝形式,簡化了結(jié)構(gòu),減輕了重量,省去了編碼器自身軸系和精密聯(lián)軸節(jié)等。其主要包括發(fā)光二極管、動、靜光柵、光敏接收元件等等。其特點是測量精度高、換相和測速準(zhǔn)確,目前廣泛應(yīng)用于精密主軸、微電機上和醫(yī)療器械上。2.2.3磁場強檢測轉(zhuǎn)子位置霍爾式位置傳感器是利用“霍爾效應(yīng)”進行工作的。永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)子可作為霍爾式位置傳感器的轉(zhuǎn)子,通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場強弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場,對霍爾半導(dǎo)體通入直流電,當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場強度大小與方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時,霍爾半導(dǎo)體就會輸出霍爾電動勢,霍爾電動勢的大小和相位隨轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化,從而起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用。霍爾式位置傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠,成本低,因此是目前在無刷直流電機上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。2.3驅(qū)動單元和單元的設(shè)計電子開關(guān)線路一般由驅(qū)動單元和控制單元組成。驅(qū)動單元接收控制單元的輸出信號,并進行功率放大,再向開關(guān)管發(fā)送導(dǎo)通或判斷的驅(qū)動信號。傳統(tǒng)的驅(qū)動單元大都采用模擬電路,由多類分立元件搭接而成,因此電路較龐大,電裝和調(diào)試都比較繁雜。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,驅(qū)動單元已經(jīng)大量使用專用的集成驅(qū)動電路?？刂茊卧饕獙ξ恢脗鞲衅鞯妮敵鲂盘栠M行處理,并產(chǎn)生PWM調(diào)制信號,實現(xiàn)對電機的調(diào)速,同時還能完成轉(zhuǎn)向控制、限流控制和制動控制。傳統(tǒng)的控制單元也是以硬件模擬擬電子器件為主,目前已向采用數(shù)字化電路、微處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)的方向發(fā)展。3機械電子永磁無刷直流電機是機電一體化的產(chǎn)品,它是機械、電子、電磁、控制和光學(xué)等多個學(xué)科交叉的產(chǎn)物。它的發(fā)展與永磁材料、電子技術(shù)和電子元件的發(fā)展更是密切相關(guān)。3.1磁性材料的發(fā)展電機的未來發(fā)展趨勢是輕量化、小型化,而在其中起決定性作用的就是永磁材料。伴隨著眾多永磁材料的誕生,如鋁鎳鈷合金、鐵氧體、稀土永磁材料和釹鐵硼等等,磁性材料掀起了一場革命。高磁能積的永磁材料,不再需要體積碩大的激勵線圈,電機的體積和重量將大減小,電機繞組的線圈也會減少,電機結(jié)構(gòu)將更加簡單。3.2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計電動機本體、位置傳感器和開關(guān)控制線路在傳統(tǒng)的無刷直流電機中是相對獨立的。伴隨著工藝和控制技術(shù)的發(fā)展,這些部分完全可以整合成一個整體,從而減小了元器件和零件,提高了可靠性。而DSP和FPGA等數(shù)字技術(shù)在電