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首頁，杏福娛樂注冊(cè)的結(jié)構(gòu)與原理，以及如何控制。相信學(xué)過電機(jī)學(xué)的同學(xué)都已經(jīng)了解了直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的基本特性。那么在電機(jī)學(xué)中并沒有介紹無刷直流電機(jī)，這是因?yàn)樗鼘儆谝环N新型
首先來回顧一下傳統(tǒng)的直流電機(jī)。直流電機(jī)的定子相當(dāng)于磁極，它產(chǎn)生一個(gè)恒定的磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通電后，由于通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將會(huì)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的電刷在整個(gè)電機(jī)中起到了至關(guān)重要的作用。如下圖所示，由于磁場(chǎng)方向恒定，要想轉(zhuǎn)子持續(xù)的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組中電流的極性就要在電機(jī)每轉(zhuǎn)半圈后發(fā)生改變，這一過程稱之為“換向”。電刷正是起到了換向的作用，施加在電刷兩端的電壓方向恒定，但此時(shí)繞組中的電流是交變的，即保證了在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，N極一側(cè)繞組的電流永遠(yuǎn)向里，S極一側(cè)永遠(yuǎn)向外，這才產(chǎn)生了連續(xù)的轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)能正常工作。
但是電刷存在的問題就是它會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生磨損，從而影響電機(jī)的性能。而無刷直流電機(jī)就不存在上述問題，因?yàn)樗秒娮訐Q向器代替了電刷的機(jī)械換向。
無刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor, BLDC），顧名思義，與直流電機(jī)有一定的聯(lián)系。它的結(jié)構(gòu)實(shí)際上可以看做是將直流電機(jī)的定轉(zhuǎn)子倒置得到的?，F(xiàn)在里面永磁體變成了轉(zhuǎn)子，繞組變成定子分布在電機(jī)的外圓上。下圖所示為一個(gè)一對(duì)極無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。
看到這里有人可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，這樣一來無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)就跟永磁同步電機(jī)一模一樣了。確實(shí)如此，電機(jī)學(xué)中講過的同步電機(jī)也是轉(zhuǎn)子采用永磁體來勵(lì)磁，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)\vec{F_f}，定子繞組通三相對(duì)稱電流產(chǎn)生一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)\vec{F_s}，其基波可表示如下：
盡管結(jié)構(gòu)基本一樣，但是兩者最大的區(qū)別就在于電機(jī)空載時(shí)繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的波形。無刷直流電機(jī)由于采用集中繞組，因此反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，而永磁同步電機(jī)采用分布式繞組，反電動(dòng)勢(shì)接近正弦波，這也就意味著這兩種電機(jī)的氣隙磁密波形B_\delta分別為梯形波和正弦波。
通過仿真可以觀察到，無刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形波形包含了兩端寬度約為120°的電壓平穩(wěn)區(qū)域，這也就意味著可以使用直流電壓來控制無刷直流電機(jī)。使無刷直流電機(jī)具有和直流電機(jī)一樣優(yōu)越的調(diào)速性能。
在接下來的分析中采用一個(gè)BLDC的簡(jiǎn)化模型，轉(zhuǎn)子為一對(duì)極，定子為三個(gè)空間上互差120°的繞組，即A,B,C三相繞組，如下圖所示。
在BLDC的分析中，有一個(gè)非常重要的物理量：定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置角\theta，即勵(lì)磁軸線與A相繞組軸線的夾角。當(dāng)A相繞組通以直流時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T將隨\theta變化而變化，該關(guān)系稱為矩角特性。由電磁力公式：F=B_\delta Il\propto B_\delta，故矩角特性和氣隙磁密一樣，也是一個(gè)梯形波。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周的2π角度內(nèi)，該梯形波可分為6個(gè)不同的區(qū)域。
如果能控制A相電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到區(qū)域1,2的時(shí)候，給A相繞組通入直流；其他區(qū)域不通電流，那么A相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就接近一個(gè)120°的方波。
在實(shí)際中，為了能讓電機(jī)獲得更高的轉(zhuǎn)矩密度，可以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到4,5區(qū)域時(shí)給A相通入反向的電流，此時(shí)A相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平均值將擴(kuò)大到原來的兩倍。
同時(shí)，根據(jù)三相繞組的對(duì)稱性，B相和C相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也是相位互差120°的方波，三者疊加起來，恰好是一條水平的矩角特性。
由前面的分析可知，要想得到穩(wěn)定的、恒定的轉(zhuǎn)矩，需要A、B、C三相繞組在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間通入波形一定的電流：即三相對(duì)稱的120°方波。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以使用三相橋式電壓源型逆變器給電機(jī)的定子繞組供電。
照顧一下還沒有學(xué)過電力電子的同學(xué)，這里的VT1~VT6是六個(gè)開關(guān)管(IGBT)，是一種三端器件，正常使用時(shí)有兩端接在電路里，另一極引出來（門極）用于控制。它們有兩種狀態(tài)：導(dǎo)通或關(guān)斷，導(dǎo)通時(shí)可視為短路，關(guān)斷時(shí)視為開路，而管子的開通和關(guān)斷取決于門極是否有驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
如上圖所示，將電機(jī)的三相繞組接成Y型。每個(gè)開關(guān)管按照120°方式導(dǎo)通，保證上下兩管在同一時(shí)刻保證只有一個(gè)導(dǎo)通。開關(guān)管的導(dǎo)通順序依次為：6,1—1,2—2,3—3,4—4,5—5,6—6,1，循環(huán)往復(fù)。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)60°開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換一次。
簡(jiǎn)單分析可以得到，按照這種方式驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，A,B,C三相繞組的電流波形就恰好和原來要求的一樣了。
例如：0~60°內(nèi)1管和6管導(dǎo)通，A相電流為正，B相電流為負(fù)，C相電流為0；
60°~120°內(nèi)1管和2管導(dǎo)通，A相電流為正，C相電流為負(fù)，B相電流為0；
同時(shí)，由于某一時(shí)刻的開關(guān)狀態(tài)與轉(zhuǎn)子所在區(qū)域一一對(duì)應(yīng)，且開關(guān)頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。因此BLDC的控制必須使用位置檢測(cè)器。
那么到這里已經(jīng)講解了如何通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷來得到一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，使BLDC正常工作。但僅僅得到一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩還不夠，控制轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速才是電機(jī)控制的最終目的。無刷直流電動(dòng)機(jī)是由轉(zhuǎn)子位置角\theta控制逆變器主元件通、斷，屬于 “自控式變頻”，也就是說，是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速變化才使頻率發(fā)生變化的。位置檢測(cè)器與逆變器一起構(gòu)成電子換向器。要控制轉(zhuǎn)速就應(yīng)控制電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩T，即應(yīng)該控制電機(jī)繞組三相電流的大小，也只需控制繞組兩端電壓U_d即可。
而改變電壓的方法，通常是在逆變橋中采用PWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)由于采用了自控式變頻的方式，因此控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過PWM技術(shù)改變輸入到電機(jī)的電壓U_d，以控制繞組電流的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。
