永磁無(wú)刷直流電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)

永磁無(wú)刷直流電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)

無(wú)刷光滑電機(jī)（blocm）使用電子分離器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械刷子和機(jī)械變換裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)機(jī)械損壞，使用壽命穩(wěn)定。同時(shí)還具有調(diào)速精度高、高效率、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn),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(diǎn),可以極大地減小無(wú)刷直流電機(jī)的本體體積和重量,因此永磁材料與無(wú)刷直流電機(jī)的有機(jī)結(jié)合便誕生了永磁無(wú)刷直流電機(jī)。永磁無(wú)刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備(如硬盤(pán)、軟盤(pán)和光盤(pán)存儲(chǔ)器)、家電產(chǎn)品、醫(yī)療器械和電動(dòng)車(chē)上,目前無(wú)刷直流電機(jī)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(chē)、精密電子等行業(yè)也被廣泛應(yīng)用。1刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)技術(shù)永磁無(wú)刷直流電機(jī)主要包括電機(jī)本體、開(kāi)關(guān)控制線(xiàn)路和位置傳感器,其原理框圖如圖1所示。直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)控制線(xiàn)路向電機(jī)定子繞組供電,可以單相也可以多相供電。位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處的位置,并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止,從而控制定子繞組的通斷電,實(shí)現(xiàn)電子換相。圖2所示為永磁無(wú)刷直流電機(jī)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(guò)過(guò)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(shì)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(qiáng)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(wú)刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)中,磁鋼都采用永磁體作為激勵(lì)磁源,取代傳統(tǒng)的勵(lì)磁線(xiàn)圈,可以產(chǎn)生穩(wěn)定的永磁場(chǎng)。永磁場(chǎng)包括主磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng),漏磁場(chǎng)為磁能損耗的磁場(chǎng),不對(duì)外做功;主磁場(chǎng)是做功的磁場(chǎng),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(xiàn)性磁路,也是切割定子繞組做功的磁路。通過(guò)磁場(chǎng)切割定子繞組,帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),從而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。2主要部件的應(yīng)用2.1電機(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)件,通過(guò)一定聯(lián)接方式聯(lián)接在轉(zhuǎn)軸上,定子為靜止件,通過(guò)兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng),完成磁能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。后者結(jié)構(gòu)是定子作為轉(zhuǎn)動(dòng)件,聯(lián)接在轉(zhuǎn)軸上,隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子和磁鋼作為靜止件,固定在電機(jī)機(jī)架上。電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱(chēng)星形接法,同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。在傳統(tǒng)的直流無(wú)刷電機(jī)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(lái)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(jī)的重量,又不能根本消除渦流,產(chǎn)生了鐵損。目前越來(lái)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(guò)環(huán)氧樹(shù)脂澆注在定子座上。由于沒(méi)有鐵芯,減小了鐵芯外形的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩,磁通量通過(guò)鐵芯產(chǎn)生的渦流也不存在了,提高了電氣效率。2.2電機(jī)的換來(lái)繼續(xù)發(fā)布位置傳感器的作用主要是通過(guò)測(cè)定轉(zhuǎn)子磁鋼的位置,來(lái)提供電機(jī)的換相信號(hào),并可以完成測(cè)速。無(wú)刷直流電機(jī)常用的位置傳感器有三類(lèi):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(pán)的安裝電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其位置測(cè)量作用的。它一般由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子組成,轉(zhuǎn)子是一個(gè)用非導(dǎo)磁材料(諸如銅或鋁等)制成的圓盤(pán),并在其上鑲嵌扇形的導(dǎo)磁材料。安裝時(shí)轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)軸同軸聯(lián)接,并對(duì)應(yīng)于某一個(gè)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(xiàn)圈。當(dāng)轉(zhuǎn)子處在一定的位置時(shí),電機(jī)繞組線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁通通過(guò)轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁材料耦合到定子上的線(xiàn)圈,并產(chǎn)生感應(yīng)電壓,從而使導(dǎo)磁扇片跟著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電磁式位置傳感器的特點(diǎn)是輸出信號(hào)大、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng),但它信噪比較低,體積較大,因此目前逐漸淡出永磁無(wú)刷直流電機(jī)中。2.2.2之間的約束副光電式位置傳感器一般有絕對(duì)式和增量式兩種傳感器,這里以增量式傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明。光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng),通過(guò)莫爾條紋技術(shù),將一對(duì)光柵副形成的莫爾條紋,轉(zhuǎn)換成電量。當(dāng)動(dòng)、靜光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),莫爾條紋明暗變化,光電轉(zhuǎn)換元件將交替變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成交替變化的電信號(hào),并以數(shù)字代碼形式輸出。從原理上講,編碼器工作過(guò)程是非接觸式的,無(wú)摩擦磨損,可以大大延長(zhǎng)儀器的使用壽命,提高編碼器的可靠性;同時(shí)編碼器的輸出容易數(shù)字化,便于獲得高的測(cè)量和控制精度。編碼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用散裝形式,簡(jiǎn)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(dòng)、靜光柵、光敏接收元件等等。其特點(diǎn)是測(cè)量精度高、換相和測(cè)速準(zhǔn)確,目前廣泛應(yīng)用于精密主軸、微電機(jī)上和醫(yī)療器械上。2.2.3磁場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置霍爾式位置傳感器是利用“霍爾效應(yīng)”進(jìn)行工作的。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子可作為霍爾式位置傳感器的轉(zhuǎn)子,通過(guò)感知轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化來(lái)辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng),對(duì)霍爾半導(dǎo)體通入直流電,當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小與方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時(shí),霍爾半導(dǎo)體就會(huì)輸出霍爾電動(dòng)勢(shì),霍爾電動(dòng)勢(shì)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(cè)轉(zhuǎn)子位置的作用?；魻柺轿恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠,成本低,因此是目前在無(wú)刷直流電機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。2.3驅(qū)動(dòng)單元和單元的設(shè)計(jì)電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路一般由驅(qū)動(dòng)單元和控制單元組成。驅(qū)動(dòng)單元接收控制單元的輸出信號(hào),并進(jìn)行功率放大,再向開(kāi)關(guān)管發(fā)送導(dǎo)通或判斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元大都采用模擬電路,由多類(lèi)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(dòng)單元已經(jīng)大量使用專(zhuān)用的集成驅(qū)動(dòng)電路?？刂茊卧饕獙?duì)位置傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理,并產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速,同時(shí)還能完成轉(zhuǎn)向控制、限流控制和制動(dòng)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(hào)處理器(DSP)的方向發(fā)展。3機(jī)械電子永磁無(wú)刷直流電機(jī)是機(jī)電一體化的產(chǎn)品,它是機(jī)械、電子、電磁、控制和光學(xué)等多個(gè)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(jī)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)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(chǎng)革命。高磁能積的永磁材料,不再需要體積碩大的激勵(lì)線(xiàn)圈,電機(jī)的體積和重量將大減小,電機(jī)繞組的線(xiàn)圈也會(huì)減少,電機(jī)結(jié)構(gòu)將更加簡(jiǎn)單。3.2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和開(kāi)關(guān)控制線(xiàn)路在傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)中是相對(duì)獨(dú)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(gè)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