无刷直流电动机

2017-09-24 16:00:12 研蓝自动化 11

无刷直流电动机(简称BLDC电动机) - 尽管名称为三相电流同步电机:转子跟随磁旋转场,运动与施加到绕组的交流电压同步。 这种电动机类型通常被称为“无刷直流电动机”,因为在许多应用中,它用刷子(刷式DC或换向器电动机)代替直流电动机。 在有刷直流电机中,施加直流电压,通过电机 - 电刷中的机械逆变器产生与速度相关的交流电流。

与电子驱动控制器一起,其控制电刷的功能并将馈入的直流电转换为交流电,BLDC电动机提供与刷式DC电动机的性能相当的性能,没有电刷,其具有 使用寿命有限 因此,BLDC电动机也被称为EC(电子换向)电动机,以便将它们与具有电刷的机械换向马达区分开来。

另一个常用的术语是PMSM,代表“永磁同步电动机”。 在这里,永磁体用于区别于与转子上的励磁绕组一起工作的其他同步的同步电动机,而BLDC永久地通电。 换句话说,即使定子没有通电,电机转子也通过永磁体产生磁场。

为了区分具有正弦感应电压(反电动势)的PMSM电机和具有梯形感应电压的BLDC电机(见下文),术语PMSM和BLDC经常并置。 今天,大多数BLDC电机都呈现正弦反电动势,特别是所有的nanotec技术生产的BLDC电机。

1、结构/类型

大多数BLDC电机是“内转子电动机”,其中转子由具有线圈的不动定子中的轴上的永磁体旋转。使用“外转子电机”,定子位于内部,转子由外部旋转的钟形壳体组成,其中安装有磁体。

内转子电动机的优点在于它们的转子惯量低,散热功耗优异。相反,使用外部转子电动机,发电线圈通过转子壳体和磁体与其环境绝缘。由于转子惯性转矩高,并且转子外壳难以平衡,外转子电动机不适用于非常高的转速。

因此,在大多数工业应用中使用内转子电动机。外部转子电动机在批量生产应用中显示出优势,因为它们可以更廉价地生产。它们也可以制造得更短,通常具有较低的停止扭矩,以及更高的扭矩 - 由于较大的转子直径,在相同的磁力下。

两种电动机设计通常都有三相生产。然而,还有一两个阶段的设计。以下仅列出三相BLDC电机,因为Nanotec仅生产这些电机。

内部和外部转子电机均采用开槽绕组生产;这里绕组线卷绕在定子极靴(铁芯)周围,这允许绕组的磁场线流出并以限定的形式集中。定子由薄的相互偏移的绝缘金属板制成,以将涡流损耗保持在最小值。

对于非常小的电机来说,特别重要的内部转子的特殊设计格式是无槽BLDC电机。其定子仅由环形金属板组成,平面,粘合或密封的绕组固定在内侧。由于没有铁芯,电机的电感非常低,绕组的电流增加很快。此外,铁损大大降低,电机效率高。在运行缓慢的过程中,扭矩波动不足有积极作用。与标准BLDC电机不同,磁极在极靴处没有加强,没有齿槽转矩。这种设计类型对于直径小于40mm的电机尤其重要,因为其功率密度明显高于开槽电机。这是由于生产的结果,开槽电动机的定子的相当大的一部分总是在绕组之间保持为空。另一方面,无槽电机,这个安装空间可以完全充满铜绕组。电机的直径越小,无槽电机的优点就越大。

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2.驱动控制器/换向


BLDC电动机旋转,因为转子上的永磁体试图在由定子的电磁体产生的磁场的方向上自己对准。当这样做时,当两个磁场彼此垂直时,转矩是最大的。驱动控制器的类型以两种方式进行区分:以绕组(块形或正弦)通电的形式,或用于确定转子位置的方法。必须确定转子位置,因为绕组中的电流必须被定时以使得定子磁场总是垂直于转子磁场的方式切换,即,其以所需的速度继续转动。


2.1块换向


转子位置可以通过马达中的霍尔传感器轻松确定。然后可以在绕组必须切换的确切时间通过转子上适当对准的磁体来切换。三个绕组然后对应于三个霍尔传感器;它们的状态定义了绕组必须如何连接。如果三个绕组被数字切换,即在绕组处没有电流或全电流,这被称为块换向。霍尔传感器和块换向的组合在技术上是实现用于启动BLDC电机的最简单的方法。这种技术的不利之处在于,由于离散切换,定子磁场并不总是垂直于转子磁场。这是由于定子磁场的定位保持恒定在60°,而转子进一步旋转到下一个切换点。霍尔传感器以这样的方式定位,即中间的定子磁场垂直于两个切换点之间,从而在切换点处产生相应的30°的相位角误差。结果,转矩为13.4%(1-余弦[30°]))。因此,通过块换向,在该峰值处存在转矩波动,是电动机电动旋转频率的六倍。这会导致振动和噪音;特别是在低速时,电机不会均匀旋转。这就是为什么块式换向不适用于电机必须 - 至少间歇地转动缓慢(小于额定转速的10%)的应用。平均而言,转矩波动导致大约的损耗。与绕组的热等效,最佳通电相比,扭矩的4.5%以及效率因子的相应恶化。

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2.2正弦换向


通电的最佳形式是正弦换向,其中电机的每个绕组以正移动120°的正弦波供电,导致恒定强度的定子磁场连续旋转。通常,如果只有霍尔传感器可用于确定转子位置,则也可以通过在切换点之间进行插值来使用正弦换向。在大多数情况下,这直接导致电机运行性能的显着提高。在两个霍尔传感器之间的负载变化的情况下,不能调整正弦波,导致磁场定位不正确。这只能用下一个霍尔传感器信号进行校正。


因此,正弦换向理想地需要用于确定转子位置的更高分辨率系统。通常,这包括一个光学或磁性编码器,可以随时以足够的精度确定转子的位置,并相应调整电流。


2.3面向领域的控制


有时场导向控制仍然与正弦换向有区别;然而,通常这两个术语可互换使用。这些术语可互换使用,因为如上所述的正弦换向最佳地控制定子磁场。


只要一个人忽略电流控制器本身的功能,差异在正弦换向的描述中就不明显了。在前面的假定中,将产生正弦电流值,其将以足够的速度由电流控制器输入到绕组中。因此,在正弦换向中分别处理两个任务,当前值(其对应于转矩控制回路)和绕组的电流控制,或者分别由单独的控制器执行。然而,在这种情况下,绕组的电流控制器以增加的速度接收以较高频率变化的电流值。同时,电动机的反电动势的日益强大的影响也必须得到补偿。由于电流控制器的带宽向上限制,因此在较高的速度下可能存在电流的相移和失真,使定子磁场不再垂直于转子。


磁场定向控制通过直接在转子的旋转坐标系中控制电流矢量来解决这个问题。为此,三相的测量电流通过Clark-Park变换转换成转子的双轴坐标系。因此,转矩值将不再被首先转换为电流值,如同各个绕组的正弦换向的情况一样,然后各自独立控制;而是在转子电流水平和磁场取向的坐标系中同时控制。随后,计算各个绕组的电流(通过逆Clark-Park变换)。使用这种方法,该控制是频率无关的,即使在较高的转速下,也将始终产生最佳的正弦电流。


2.4无传感器控制


无传感器控制不是额外的控制过程,而是一种能够确定没有传感器(即霍尔传感器,编码器)的转子位置的方法的术语。这些方法可以大致分为两类:


简单的无传感器控制器,其基于相应无通电绕组中的反电动势的直接测量。然而,与标准驱动相比,该方法需要特殊的硬件,其功能不大于约。电机额定转速的20%,因为测量信号太小。此外,该方法仅与块换向相结合,因为通过正弦换向,所有三个线圈总是同时通电。


更复杂的解决方案是基于所谓的“监控规则”,其根据当前控制器测量的其他值再现不可直接测量的值,例如速度或反电动势。这种系统的核心是电动机的极其精确的模型,与实际电动机并联,根据已知的输入值(如设定的PWM)计算那些也被测量的那些值,例如当前电流绕组。然后将计算的值与每个周期中的测量值进行比较。由于使用该方法确定的观察误差,电机模型的内部值不断重新调整。利用这种方法,对于实际测量的值(如速度)也可获得更准确的估计。尽管这种方法只能起作用,因为绕组的反应随着感应电压而变化为速度的函数。

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