无刷直流电机介绍

2017-08-20 18:51:32 admin 725

1. 结构/类型

无刷直流电机(简称为 BLDC 电机)– 尽管名谓“直流”– 实际上它是一种三相交流同步电机:它的转子伴随旋转磁场运转,转子运动与定子绕组上施加的交流电压同步。这款电机被普遍称为“无刷直流电机”是因为在许多应用中,该电机可以替换有刷直流电机(有刷直流或整流子式电动机)。在有刷直流电机中,施加直流电压后,电机中的机械换向器(电刷)会产生一个速度受控的交流电。

配合电子控制器的使用,电子控制换向取代电刷的功能将电源的直流电转换成交流电,从而使得BLDC 电机与有刷直流电机性能相当,并且不使用寿命有限的电刷。因此 BLDC 电机也被称为 EC(电子换向)电机,以将它与有刷的机械换向电机加以区分。

另外一个经常使用的术语是 PMSM,其中文全称是“永磁同步电机”。 这样说是因为BLDC转子上用的是永久磁钢,而其他同步电机是依靠转子上的励磁绕组外加电源而运转。也就是说,BLDC无需绕组通电,转子都会自动产生一个永久磁场。

通常PMSM 和 BLDC术语并列出现时,主要用于区分带有正弦感应电压(反电势)的 PMSM 电机和带梯形感应电压的 BLDC 电机(见下文)。今天多数的 BLDC 电机都是带有正弦反电势的,纳诺达克生产的所有 BLDC 电机均属此类。

1. 结构/类型

大部分 BLDC 电机是“内转子电机”,定子带线圈,固定不动;转子是在转轴上安装永磁体,在定子内旋转。如果是“外转子电机”,则定子位于内侧,而转子包括一个在外部旋转的钟形壳体,磁体安装在壳体内。

内转子电机的优势是转子惯量低,散热快。相反,如果使用外转子电机,由于转子壳体和磁体的存在,发热线圈与环境隔绝,散热慢。同时,由于具有很高的转子惯性扭矩并且转子壳体的平衡很难控制,外转子电机不适用于旋转速度很高的模式。

因此,内转子电机在大多数工业应用中广泛使用。外转子电机在大批量生产应用中具有较大优势,因为这种模式可以降低生产成本。外转子电机可以更短,通常静态扭矩更低,而转矩更高 – 这是由于在相同的磁力中,它的转子直径更长。

两种电机通常都设计成三相电机。不过,也有使用单相或两相的设计。在下文中将只分析三相 BLDC 电机,因为纳诺达克只生产三相电机产品。

内转子绕组和外转子绕组都是使用开槽绕组生产,绕组线缠绕在定子极靴上(铁芯),这样绕组的磁力线就可以流出并以确定的的形式集合。定子由薄的、可互相抵消的隔热金属板制作,这样可以让涡流的电流损失降至最低。

对非常小的电机来说,内转子一个非常重要的特殊设计格式是无槽 BLDC 电机。它的定子只包括环形金属板,以及一个扁平、粘连或密封的绕组附着在内部。因为没有铁芯,电机的电感非常低,而且绕组的电流增长非常快。此外,铁损大幅减少,所以电机有一个更高的效率功率。在慢速运行中,缺少扭矩波动可以带来正面效应。与标准的 BLDC 电机不同,极靴的磁场没有增强,因此没有齿槽扭矩。电机的尺寸低于 40 毫米时这种设计类型就非常重要,因为它的功率密度比有槽电机大幅提升。这是由于在生产后,有槽电机中大部分绕组之间的定子都是空的。然而在无槽电机中,这个安装空间可以完全被铜绕组填满。电机的直径越小,无槽电机展现出来的优势就更大。

2. 驱动控制器/换向

BLDC 电机旋转是由于转子上的永磁体试图调整自身方向从而与定子电磁铁产生的磁场一致。在此过程中,两个磁场之间呈直角时扭矩最大。驱动控制器的类型可分为两类:绕组通电方式(块状或正弦),或确定转子位置方式。有必要确定转子位置,因为绕组中的电流必须定时切换,保证定子磁场与转子磁场一直处于垂直状态,例如,按照指定的速度不断旋转。

2.1 块换向

转子位置可以通过电机中的霍尔传感器轻松确定。电机转子上装有磁铁,以此来确定定子换向的时间点。这三个绕组对应三个霍尔传感器;它们的状态决定了绕组的连接方式。如果三个绕组数控切换,比如绕组中没有电流或全电流,即可称之为块换向。霍尔传感器和块换向组合从技术上来说是驱动 BLDC 电机的最简单方法。这种技术的劣势在于,由于切换过程不连续,定子磁场并非总是与转子磁场呈直角排列。这是由于定子磁场对齐角度一直保持在 60°,而转子会持续转向下一个切换点。霍尔传感器的定位是确保中间的定子磁场与两个切换点保持垂直,从而导致了切换点上两个相角误差都是 30°。其结果是扭矩降低 13.4%(1 - 余弦[30°])。这样在块换向中,顶部有一个扭矩波动,是电机电动旋转频率的六倍。这会引发振动和噪音;低速下尤其如此,电机不会始终均匀地旋转。因此块换向不适用于电机必须(至少是间歇性)缓慢转动的情形(大约低于额定速度的 10%)。平均而言,扭矩波动引发大约 4.5% 的扭矩损失,以及一个与热等效、最佳通电绕组相比相对恶化的效率因数。

2.2 正弦换向控制

通电的理想形式是正弦换向运行方式,这样电机的每个绕组都由 一个 120°正弦波供电,从而产生一个强度恒定并持续旋转的定子磁场。按照规定,如果只有霍尔传感器可以确定转子位置,正弦波整流也可以用来加入到切换点之间。大多数情况下,这直接导致电机工作性能的显著改善。但是如果电机运行到两个霍尔传感器之间时负荷发生变动,正弦波无法自行调整,这将引发磁场定位的错误。只有等电机收到下一个霍尔信号时才能纠正偏差。

因此,理想状态下,正弦波整流需要更高的解析系统来确定转子位置。一般来说,这包括一个确定转子位置的光编码器或磁编码器,在任何时间都保证足够精度,并能够相应地调整电流。

2.3 磁场定向控制

有时,磁场定向控制和正弦换向控制不可等同;虽然两个术语常可以换用。之所以可以换用是因为正弦换向控制方式(正如上文所述)是对定子磁场的优化在理论上是成立的。

如果不考虑电流控制器自身的一些功能限制,正弦换向与磁场定向控制的差异并不明显。但前提是我们假设电流控制器能以足够快的速度产生正弦电流并将其输入到电机绕组中去。因为在正弦换向控制中,电流的大小(由扭矩控制环决定)和控制这两项工作需要分开处理或由单独的控制单元分别执行。然而在随着转速的增加,电流控制器接收到电流值反馈的频率会越来越快。与此同时,电机的电动势越来越强,必须进行补偿。但是电流控制器的处理带宽是有上限的,随着速度的不断加快,电流可能出现相位偏移或畸变,从而导致定子磁场与转子不再相互垂直。

而磁场控制可以通过直接控制转子旋转坐标系中的电流矢量来解决这一问题。在这一过程中,三相被测电流通过 Clark-Park 转换变为转子的双轴坐标系。扭矩值不会像正弦换向控制那样,先被转换成电流值,然后分别控制;而是由转子电流水平面和磁场方向构成的坐标系会同时对其进行控制,再计算得出单独绕组的电流(通过逆向 Clark-Park 转换)。使用这种方法,可以确保控制过程与频率无关联,无论转速多高,始终能生成最优正弦电流。

2.4 无传感器控制

无传感器控制并非附加的控制程序,而是在没有传感器(例如霍尔传感器,编码器)的情况下对转子位置进行定位的一种统称。无传感器控制大致可分为两类:

简单的无传感器控制器,在各自的未通电绕组中直接测量感应电压。和标准驱动相比,这种控制方式对硬件有特殊要求,并且当电机转速低于额定值20%的时候,由于测量信号太微弱,运行状态会不稳定。此外,这种方法必须配合块换向才能正常运行,因为在正弦换向控制中,所有三个线圈通常是同时通电。

较为复杂的解决方案则基于一种通过电流控制器测量其他值的“监测规则”,其中重新生成的值无法直接测量,例如速度或者感应电压。这类系统的核心是一种极为精确的电机模型,其与实际的电机同时根据已输入值进行计算,例如设定的脉冲宽度调制(PWM),这些输入值同时也是经过测量的值,例如绕组的电流电平。每个周期中,计算所得值都会和测量所得值进行对比。由于这种方法不可避免的观测误差,电机模型的内部值会不断自我调节。针对没有经过实际测量的值,例如速度,则会采用一种更为正确的估测方法。尽管这种方法的原理是基于一个速度函数(感应电压反映了绕组的变化),但在低速下能很好地获取速度值。结果是产生了一种可以获得位置和速度信息的“虚拟编码器”,该编码器在速度达到一定值时开始工作,准确率等同于现实中的光学编码器或磁性编码器。这种控制方法下的感应电压不一定要直接测量;此方法还可以和正弦换向控制方式或磁场定向控制结合运用。

这两种无传感控制方式的共同点是当电机处于静止状态时,两者都无法获得转子位置,因而需要一种特殊的启动方法。与步进电机类似的是,当电机在控制模式下运转多个整流周期直到获得一定速度时,无传感器测量便能够定位转子的位置。

BLDC 电机参数重要信息

空载转速电机的最大空载转速,主要由电压常量确定
空载电流怠速状态下的电流(克服摩擦所需的必要耗能)
额定速度/额定扭矩额定工作点下的速度和扭矩
 峰值扭矩瞬间达到的扭矩,通常是约 5 秒内 3 倍额定扭矩,并带来大量发热 => I2T
扭矩常量 (Nm/A)表示扭矩和电流的关系
电压常量 (V/krpm) 每圈感应电压