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无刷电机VS有刷电机

发布时间:2019-07-24 21:54:00 点击:    

 
 
有刷直流电机


无锡宏达起重电机2019年7月24日讯  直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点著称,其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器,使得驱动方法简单,其模型示意图如图1所示。


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图1 直流电机模型示意图


电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子(电枢)、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流, 电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向,这样,直流电机的转子就会持续运转下去。


1
有刷直流电机缺点


由些可见,换向器和电刷在直流电机中扮演着重要的角色,虽然它可以简化电机控制器的结构,但是,它自身却存在一定的缺点:


  • 结构相对复杂,增加了制造成本

  • 容易被环境(如灰尘等)影响,降低了工作的可靠性

  • 换向时会产生火花,限制了使用范围

  • 容易损坏,增加了维护成本等


无刷直流电机


无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)的诞生,克服了有刷直流电机的先天性缺陷,以电子换向器取代了机械换向器,所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。


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图2 无刷直流电机模型


图2所示无刷直流电机模型,它是从图1转化过来的模型。它主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器(可有可无)组成。可见,它和直流电机有着很多共同点,定子和转子的结构差不多(原来的定子变为转子,转子变为定子),绕组的连线也基本相同。


但是,结构上它们有一个明显的区别:无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷,取而代之的是位置传感器。这样,电机结构就相对简单,降低了电机的制造和维护成本,但无刷直流电机不能自动换向(相),牺牲的代价是电机控制器成本的提高(如同样是三相直流电机,有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管,而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管)。


图2所示为其中一种小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机,它的定子在内,转子在外,结构和图1所示的直流电机很相似。另一种无刷直流电机的结构和这种刚刚相反,它的定子在外,转子在内,即定子是线圈绕组组成的机座,而转子用永磁材料制造。


2
无刷直流电机有以下的特点


  • 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


3
无刷直流电机的工作原理


无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢,转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流,则电机只能产生不变的磁场,电机不能转动起来,只有实时检测电机转子的位置,再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流,使定子产生方向均匀变化的旋转磁场,电机才可以跟着磁场转动起来。


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图3 无刷直流电机转动原理


如图3所示为无刷直流电机的转动原理示意图,为了方便描述,电机定子的线圈中心抽头接电机电源POWER,各相的端点接功率管,位置传感器导通时使功率管的G极接12V,功率管导通,对应的相线圈被通电。


由于三个位置传感器随着转子的转动,会依次导通,使得对应的相线圈也依次通电,从而定子产生的磁场方向也不断地变化,电机转子也跟着转动起来,这就是无刷直流电机的基本转动原理 —— 检测转子的位置,依次给各相通电,使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化。


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图4 无刷直流电机结构示意图


如图4所示,其中A为电机转子和定子在同一圆心上,B为不同一圆心上,是为了方便说明电机内部磁场。


4
无刷直流电机的驱动方法

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。


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


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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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