無(wú)刷直流電機(jī)基本原理分析目錄TOC\o"1-3"\h\u22190無(wú)刷直流電機(jī)基本原理分析 1175821.1無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 194441.2無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型 2306141.3無(wú)刷直流電機(jī)工作原理 340181.4無(wú)刷直流電機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 562001.4.1BLDC的特點(diǎn) 5183721.4.2BLDC的優(yōu)點(diǎn) 61.1無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)普通有刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞處于轉(zhuǎn)子上，定子生產(chǎn)穩(wěn)定不變的磁場(chǎng)，換向器與電刷持續(xù)變更電流的方向，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，無(wú)刷型直流電機(jī)將電樞固定在定子上以除去電刷，而轉(zhuǎn)子為永磁體，因此產(chǎn)生了有刷型直流電機(jī)的反形。無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高、可靠性高。其一般組成為電機(jī)主體、換向電路、傳感器等，如圖2-2。圖2-1有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)的比較圖2-2無(wú)刷直流電機(jī)基本控制結(jié)構(gòu)1.2無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型由電機(jī)結(jié)構(gòu)可知三相定子繞組在狀態(tài)空間上互呈120°，建立二二接通形式的三相星形連接方式的六狀態(tài)的無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)假設(shè)狀態(tài)空間為理想條件。根據(jù)電機(jī)工作的原理可以得知在任意時(shí)刻電機(jī)的電壓平衡方程為。(2-2)電機(jī)的電壓方程為(2-2)在上面的式子（2-2）當(dāng)中Ra、Rb、Rc各自均代表的是所有定子環(huán)繞組成的電阻，同時(shí)它們還滿足Ra=Rb=Rc=Rs。La、Lb、Lc各自均代表的是所有定子定子環(huán)繞組成的自感Lab、Lac、Lbc各自均代表的是兩項(xiàng)繞組彼此間的互感。ua、ub、uc各自均代表的是所有定子的電壓。ia、ib、ic各自均代表的是所有定子的電流。ea、eb、ec各自均代表的是所有定子的反向電動(dòng)勢(shì)。P=d/dt。不用考慮永磁轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的干擾。在理想條件下這些參數(shù)和轉(zhuǎn)子位置沒(méi)有關(guān)系，因此可視為常數(shù)，將上式改寫為如下：(2-3)由于電機(jī)接線方式為三相星形連接，沒(méi)有中間線。由基爾霍夫定律可知ia+ib+ic=0.帶入（2-3）后電壓平衡發(fā)成為：(2-4)用狀態(tài)方程表示（3-4）如下。(2-5)所以，圖2-3顯示了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖。圖2-3無(wú)刷直流電機(jī)等效電路圖1.3無(wú)刷直流電機(jī)工作原理本課題所設(shè)制出的無(wú)刷直流電機(jī)管控系統(tǒng)使用的是三相全橋驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)電路圖為2-4。依據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)則，位置傳感器可以測(cè)定轉(zhuǎn)子的方位，生成較有規(guī)則的霍爾信號(hào)。采用全橋?qū)娐窌r(shí)，同一位置上下橋不能同時(shí)導(dǎo)通，同側(cè)上橋或下橋不能同時(shí)導(dǎo)通。根據(jù)導(dǎo)通規(guī)律可以得到六個(gè)換向信號(hào)，若采用三位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示導(dǎo)通規(guī)律，規(guī)定上橋?qū)?，下橋?qū)?，即可得到011-001-101-100-110-010的導(dǎo)通規(guī)律，如果采用相反的導(dǎo)通控制信號(hào)，可使電機(jī)反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子每過(guò)經(jīng)過(guò)60°電機(jī)狀態(tài)發(fā)生一次改變，推導(dǎo)出霍爾信號(hào)是由霍爾傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置而產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)，并且具有規(guī)律性的變化。根據(jù)全橋的導(dǎo)通規(guī)律，同一位置上下橋不能同時(shí)導(dǎo)通，上橋或下橋不能整側(cè)同時(shí)導(dǎo)通，可以得出六個(gè)換向時(shí)刻的信號(hào)，如果采用三位的二進(jìn)制表示導(dǎo)通順序的話，每個(gè)位置上橋?qū)?，下橋?qū)?，規(guī)律應(yīng)該是100-110-010-011-001-101。如果測(cè)量得到的霍爾信號(hào)的排列秩序和其剛好反過(guò)來(lái)，電機(jī)就可以做相反方向的運(yùn)轉(zhuǎn)。每轉(zhuǎn)60度，功率管開(kāi)關(guān)一次，電樞換電一次，則霍爾信號(hào)也隨之改變，這樣便推導(dǎo)出功率管導(dǎo)通狀態(tài)控制規(guī)律表，如表3.1所示。這樣規(guī)律地導(dǎo)通功率管的過(guò)程中，可讓線圈內(nèi)出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)存在角度差異，由此生成電磁力矩，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)。圖2-4三相全橋驅(qū)動(dòng)電路依據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)則，位置傳感器可以測(cè)定轉(zhuǎn)子的方位，生成規(guī)則的霍爾信號(hào)。采用全橋?qū)娐窌r(shí)，同一位置上下橋不能同時(shí)導(dǎo)通，同側(cè)上橋或下橋不能同時(shí)導(dǎo)通。根據(jù)導(dǎo)通規(guī)律可以得到六個(gè)換向信號(hào)，若采用三位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示導(dǎo)通規(guī)律，規(guī)定上橋?qū)?，下橋?qū)?，即可得到011-001-101-100-110-010的導(dǎo)通規(guī)律，如果采用相反的導(dǎo)通控制信號(hào)，可使電機(jī)反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子每過(guò)經(jīng)過(guò)60°電機(jī)狀態(tài)發(fā)生一次改變，推導(dǎo)出MOC導(dǎo)通狀態(tài)2-1。該繞組內(nèi)生成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子存在部分角度差異，由此生成電磁力矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。表2-1MOC管導(dǎo)通狀態(tài)控制規(guī)律表霍爾信號(hào)011001101100110010T1T2T3T4T6T6在空間中，定子所生成的磁場(chǎng)成間斷的狀態(tài)，它是一個(gè)逐步旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。步進(jìn)角是60°，所有的狀態(tài)電機(jī)均存在兩相通路，當(dāng)每一相電流通過(guò)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)120°。如圖2-5所示表示了每個(gè)狀態(tài)狀態(tài)下電機(jī)的通電定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向（紅，藍(lán)箭頭表示）和合成磁感應(yīng)強(qiáng)度方向，(a)AB相通電（b）AC相通電(c)BC相通電（d）BA相通電(e)CA相通電（f）CB相通電圖2-5電機(jī)六種導(dǎo)通情況下定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向1.4無(wú)刷直流電機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)1.4.1BLDC的特點(diǎn)（1）當(dāng)前，在定子永磁系統(tǒng)中，大量使用高磁能級(jí)稀土釹鐵硼，使得無(wú)刷直流電機(jī)與相同容積的三相異步電機(jī)相比，其體積更小。（2）無(wú)刷直流電機(jī)具有較大的高效面積，高功率及轉(zhuǎn)矩密集程度，且功率因數(shù)無(wú)限和1靠攏，系統(tǒng)的功效要比90%大。（3）電機(jī)使用的是變頻調(diào)節(jié)速度，轉(zhuǎn)速同步，轉(zhuǎn)子內(nèi)無(wú)銅鐵損耗。（4）調(diào)速范圍大，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。（5）低電壓，扭矩過(guò)載的特點(diǎn)性能非常好，開(kāi)啟時(shí)的扭矩比較大，開(kāi)啟時(shí)的電流比較小。（6）用電子變化方向代替機(jī)械變化方向，不產(chǎn)生機(jī)械性質(zhì)的摩擦和火花。1.4.2BLDC的優(yōu)點(diǎn)具有良好的調(diào)節(jié)速度的性質(zhì)功能，體積比較小巧，質(zhì)量也不重，工作成效比較高，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣量也比較少，無(wú)勵(lì)磁損耗。相比較直流電機(jī)而言：因?yàn)闊o(wú)刷機(jī)械摩擦的原因，使無(wú)刷電機(jī)擁有了可靠、高效、不需要護(hù)理、無(wú)噪音、速率比較大、散熱方便等優(yōu)勢(shì)。與永磁同步電機(jī)相比：控制簡(jiǎn)單，制造容易，成本低。與直流電機(jī)以及永磁同步電機(jī)相比，其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。表2-2對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)、有刷直流電機(jī)和異步電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比。表2-2三種電機(jī)比較永磁無(wú)刷直流電機(jī)永磁有刷直流單機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)定子多相繞組永磁多相繞組轉(zhuǎn)子永磁繞組線繞組或籠形繞組轉(zhuǎn)子位置傳感器需要不需要不需要電滑動(dòng)接觸火花無(wú)有（換向器與點(diǎn)刷）集電環(huán)可能存在EMC干擾較低高低可聞噪聲較低高低電子控制器必需調(diào)速時(shí)需要調(diào)速時(shí)需要使用電源DCDCAC使用電壓范圍高（受功率器件耐壓限制）較低（受換向器耐壓限制）高機(jī)械特性接近線性線性非線性啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)較高較高較低高速范圍高（受轉(zhuǎn)子離心力限制）低（受換向器離心力限制）高（受轉(zhuǎn)子離心力限制）效率高（轉(zhuǎn)子幾乎沒(méi)有損耗）較低（換向器與電刷摩擦損耗，電刷壓降損耗）低（轉(zhuǎn)