无刷直流电动机 - 第一部分：结构和工作原理

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无刷直流电动机 - 第一部分：结构和工作原理

作者：tutut

电气设备通常具有至少一个用于使物体从其初始位置旋转或移位的电动机。市场上有各种类型的电机，包括感应电机，伺服电机，直流电机（有刷和无刷）等。根据应用要求，可以选择特定的电机。然而，目前的趋势是大多数新设计正朝着无刷直流电机发展，通常称为BLDC电机。

本文将集中讨论BLDC电机设计的以下几个方面：

• BLDC电机的结构
• BLDC电机的操作
• 扭矩和效率要求
• 与感应和有刷直流电机的比较
• BLDC电机的选择标准
• 电机控制 - 速度，位置和扭矩，将在本文第二部分中介绍。
  

施工
无刷直流电动机在结构和工作原理方面与交流感应电动机和有刷直流电动机有许多相似之处。与所有其他电机一样，BLDC电机也有转子和定子。
定子
与感应交流电动机类似，BLDC电动机定子由叠层钢制成，​​堆叠起来以承载绕组。定子中的绕组可以布置成两种模式; 即星形图案（Y）或三角形图案（Δ）。两种模式之间的主要区别在于Y模式在低RPM下提供高扭矩，而Δ模式在低RPM下提供低扭矩。这是因为在Δ配置中，一半的电压施加在未被驱动的绕组上，因此增加了损耗，进而增加了效率和转矩。

定子中的钢制叠片可以开槽或无槽，如图2所示。无槽铁芯具有较低的电感，因此可以以非常高的速度运行。由于叠片堆中没有齿，因此对齿槽转矩的要求也会降低，因此也使它们成为低速的理想配合（当转子上的永磁体和定子上的齿相互对齐时，由于两者之间的相互作用，产生不希望的齿槽转矩并导致速度波动。无槽芯的主要缺点是成本较高，因为它需要更多的绕组来补偿更大的气隙。



正确选择用于定子结构的层压钢和绕组对于电动机性能至关重要。选择不当可能会在生产过程中导致多个问题，从而导致市场延迟和设计成本增加。

转子
典型BLDC电机的转子由永磁体制成。根据应用要求，转子中的极数可以变化。增加极数确实可以提供更好的扭矩，但代价是降低最大可能的速度。



影响最大扭矩的另一个转子参数是用于构造永磁体的材料; 材料的磁通密度越高，扭矩越高。

工作原理和运作
BLDC电机工作的基本原理与有刷直流电机相同; 即内轴位置反馈。在有刷直流电机的情况下，使用机械换向器和电刷实现反馈。使用BLDC电机，可以使用多个反馈传感器实现。最常用的传感器是霍尔传感器和光学编码器。

注意：霍尔传感器采用霍尔效应原理，当载流导体暴露在磁场中时，电荷载体会受到基于导体两侧产生的电压的作用力。

当转子开始移动时，该扭矩达到最大值，但随着两个磁场彼此对齐，它会减小。因此，为了保持扭矩或建立旋转，定子产生的磁场应保持切换。为了赶上定子产生的磁场，转子将继续旋转。由于定子和转子的磁场都以相同的频率旋转，因此它们属于同步电动机的范畴。

定子的这种切换以建立旋转被称为换向。对于三相绕组，换向有6个步骤; 即，6种独特的组合，其中电动机绕组将被激励。

用于实现BLDC电机的驱动电路和波形将在本文的第二部分中讨论。

扭矩和效率
对于电动机的研究，扭矩是一个非常重要的术语。根据定义，扭矩是力使物体绕其轴线旋转的趋势。

因此，为了增加扭矩，必须增加任何一个力 - 这需要更强的磁铁或更大的电流 - 或者必须增加距离 - 这将需要更大的磁铁。效率对于电机设计至关重要，因为它决定了功耗。更高效的电动机还需要更少的材料来产生所需的扭矩。

哪里，


已经理解了上面提供的方程，理解速度与扭矩曲线变得很重要。




以下是图5中所示图表的内容：

• 随着速度的增加，扭矩减小（考虑到输入功率是恒定的）。
• 当速度是“空载”速度的一半并且扭矩是失速扭矩的一半时，可以提供最大功率。
  
  

应用
单速 - 对于单速应用，感应电机更合适，但如果必须保持速度随负载的变化，则由于BLDC电机的平坦速度 - 转矩曲线，BLDC电机非常适合这样的应用。

可调速 - BLDC电机更适合此类应用，因为变速感应电机还需要额外的控制器，从而增加了系统成本。由于定期维护，有刷直流电机也将是一种更昂贵的解决方案。

位置控制 - 不需要精确控制，如电磁炉和低维护; BLDC电机也是这里的赢家。然而，对于这样的应用，BLDC电机使用光学编码器，并且需要复杂的控制器来监控扭矩，速度和位置。

低噪声应用 - 已知有刷直流电机会产生更多的EMI噪声，因此BLDC更适合，但BLDC电机的控制要求也会产生EMI和可听噪声。然而，这可以使用磁场定向控制（FOC）正弦BLDC电机控制来解决。
如果磁场方向反转，产生的电压也会反转。对于BLDC电机中使用的霍尔效应传感器，无论何时转子磁极（N或S）通过霍尔传感器附近，它们都会产生高或低电平信号，可用于确定轴的位置。

在换向系统中 - 基于使用反馈传感器识别的电机位置的换向系统 - 三个电绕组中的两个一次通电，如图4所示。

在图4（A）中，标记为“001”的绿色绕组被激励为NORTH极，标记为“010”的蓝色绕组被激励为南极。由于这种激励，转子的南极与绿色绕组对齐，而北极与标有“100”的RED绕组对齐。为了移动转子，“RED”和“BLUE”绕组沿图4（B）所示的方向通电。这使得RED绕组成为NORTH极，蓝色绕组成为南极。由于排斥（红色绕组 - 北 - 北对准）和吸引力（蓝色绕组 - 北 - 南对准）的发展，定子中的磁场的这种移动产生扭矩，其使转子沿顺时针方向移动。



当转子开始移动时，该扭矩达到最大值，但随着两个磁场彼此对齐，它会减小。因此，为了保持扭矩或建立旋转，定子产生的磁场应保持切换。为了赶上定子产生的磁场，转子将继续旋转。由于定子和转子的磁场都以相同的频率旋转，因此它们属于同步电动机的范畴。

定子的这种切换以建立旋转被称为换向。对于三相绕组，换向有6个步骤; 即，6种独特的组合，其中电动机绕组将被激励。

用于实现BLDC电机的驱动电路和波形将在本文的第二部分中讨论。
扭矩和效率
对于电动机的研究，扭矩是一个非常重要的术语。根据定义，扭矩是力使物体绕其轴线旋转的趋势。

因此，为了增加扭矩，必须增加任何一个力 - 这需要更强的磁铁或更大的电流 - 或者必须增加距离 - 这将需要更大的磁铁。效率对于电机设计至关重要，因为它决定了功耗。更高效的电动机还需要更少的材料来产生所需的扭矩。

哪里，


已经理解了上面提供的方程，理解速度与扭矩曲线变得很重要。




以下是图5中所示图表的内容：

• 随着速度的增加，扭矩减小（考虑到输入功率是恒定的）。
• 当速度是“空载”速度的一半并且扭矩是失速扭矩的一半时，可以提供最大功率。
  
  

应用
单速 - 对于单速应用，感应电机更合适，但如果必须保持速度随负载的变化，则由于BLDC电机的平坦速度 - 转矩曲线，BLDC电机非常适合这样的应用。

可调速 - BLDC电机更适合此类应用，因为变速感应电机还需要额外的控制器，从而增加了系统成本。由于定期维护，有刷直流电机也将是一种更昂贵的解决方案。

位置控制 - 不需要精确控制，如电磁炉和低维护; BLDC电机也是这里的赢家。然而，对于这样的应用，BLDC电机使用光学编码器，并且需要复杂的控制器来监控扭矩，速度和位置。

低噪声应用 - 已知有刷直流电机会产生更多的EMI噪声，因此BLDC更适合，但BLDC电机的控制要求也会产生EMI和可听噪声。然而，这可以使用磁场定向控制（FOC）正弦BLDC电机控制来解决。

huang_wk

楼主图片不显示了

李世龙

这个牛，把电机知识讲的相当透彻

thx