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圖解無刷電機工作及控制原理,動圖演示,一目了然!

作者:电机达人  来源:www.51juicy.cn  更新时间:2020-04-02 13:30:53  点击次数:

  圖解無刷電機工作及控制原理,動圖演示,一目了然!

  今天就帶大家全面了解一下模界常用的無刷電機。

  無刷電機的基本概念

  根據電機的結構和工作原理,我們可以將電機分爲有刷電機、內轉子無刷電機和外轉子無刷電機。

  有刷電機:我們也稱爲直流電機或者碳刷電機,是曆史最悠久的電機類型,也是目前數量最多的電機類型。電機工作時,線圈和換向器旋轉,磁鋼和碳刷不轉,線圈電流方向的交替變化是隨電機轉動的換相器和電刷來完成的。這種電機具有造價相對較低、扭力高、結構簡單、易維護等優點。

  不過由于結構限制,所以缺點也比較明顯:

  1、機械換向産生的火花引起換向器和電刷摩擦、電磁幹擾、噪聲大、壽命短。

  2、結構複雜、可靠性差、故障多,需要經常維護。

  3、由于換向器存在,限制了轉子慣量的進一步下降,影響了動態性能。所以在模界主要應用于速度較慢和對震動不敏感的車模、船模上面,航模很少采用有刷電機。

  無刷電機:這是模界中除了有刷電機以外用的最多的一種電機,無刷直流電機不使用機械的電刷裝置,采用方波自控式永磁同步電機,以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以钕鐵硼作爲轉子的永磁材料,性能上相較一般的傳統直流電機有很大優勢。具有高效率、低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性、可伺服控制、無級變頻調速等優點,至于缺點嘛……就是比有刷的貴、不好維護,廣泛應用于航模、高速車模和船模。

  不過,單個的無刷電機不是一套完整的動力系統,無刷基本必須通過無刷控制器也就是電調的控制才能實現連續不斷的運轉。普通的碳刷電機旋轉的是繞組,而無刷電機不論是外轉子結構還是內轉子結構旋轉的都是磁鐵。所以任何一個電機都是由定子和轉子共同構成的。

  無刷電機的定子是産生旋轉磁場的部分,能夠支撐轉子進行旋轉,主要由矽鋼片、漆包線、軸承、支撐件構成;而轉子則是黏貼钕鐵硼磁鐵,在定子旋轉磁場的作用進行旋轉的部件,主要由轉軸、磁鐵、支持件構成。除此之外,定子與轉子組成的磁極對數還影響著電機的轉速與扭力。

  無刷電機的結構

  無刷電機的前蓋、中殼、後蓋主要是整體結構件,起到構建電機整體結構的作用。但是外轉子無刷電機的外殼同時也是磁鐵的磁路通路,所以外殼必須是導磁性的物質構成。內轉子的外殼只是結構件,所以不限定材質。但是內轉子電機比外轉子電機多一個轉子鐵芯,這個轉子鐵芯的作用同樣也是起到磁路通路的作用。

  磁鐵:是安裝在轉子上,是無刷電機的重要組成部分,無刷電機的絕大部分性能參數都與磁鐵相關,包括功率、轉速、扭矩等。

  矽鋼片:是有槽無刷電機的重要組成部分,當然,無槽無刷電機是沒有矽鋼片的,但是目前絕大多數的無刷電機都是有槽的。它在整個系統中的作用主要是降低磁阻、參與磁路運轉。

  轉軸:是電機轉子的直接受力部分,轉軸的硬度必須能滿足轉子高速旋轉的要求。

  軸承:是電機運轉順暢的保證,軸承可以分爲滑動軸承和滾動軸承,而滾動軸承又可以細分爲深溝球軸承、滾針軸承和角接觸軸承等十大類,而目前大多數的無刷電機都是采用深溝球軸承。

  直流無刷電機的工作原理

  直流無刷電機动力系统由转子、定子和位置传感器三部分等组成。位置传感按转子位置的变化,沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置,并在确定的位置处产生位置传感信号,经信号转换电路处理后去控制功率开关电路,按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

  位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型:

  采用磁敏式位置傳感器的直流無刷電動機,其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏诂極管、磁敏電阻器或專用集成電路等)裝在定子組件上,用來檢測永磁體、轉子旋轉時産生的磁場變化。

  采用光電式位置傳感器的直流無刷電動機,在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉子上裝有遮光板,光源爲發光二極管或小燈泡。轉子旋轉時,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

  采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機,是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關、LC諧振電路等),當永磁體轉子位置發生變化時,電磁效應將使電磁傳感器産生高頻調制信號(其幅值隨轉子位置而變化)。

  简单而言,直流無刷電機就是依靠改变输入到無刷電機定子线圈上的电流波交变频率和波形,在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心全转的磁场,这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动,电机就转起来了,电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关,更与無刷電機的控制性能有很大关系,因为输入的是直流电,电流需要电子调速器将其变成3相交流电,还需要从遥控器接收机那里接收控制信号,控制电机的转速,以满足模型使用需要。

  總的來說,無刷電機的結構是比較簡單的,真正決定其使用性能的還是無刷電子調速器(也就是電調),好的電調需要有單片機控制程序設計、電路設計、複雜加工工藝等過程的總體控制,所以一般來說價格要比無刷電機高出很多。

  首先給大家複習幾個基礎定則:左手定則、右手定則、右手螺旋定則。別懵逼,我下面會給大家解釋。

  左手定則,這個是電機轉動受力分析的基礎,簡單說就是磁場中的載流導體,會受到力的作用。

  讓磁感線穿過手掌正面,手指方向爲電流方向,大拇指方向爲産生磁力的方向,我相信喜歡玩模型的人都還有一定物理基礎的哈哈。

  右手定則,這是産生感生電動勢的基礎,跟左手定則的相反,磁場中的導體因受到力的牽引切割磁感線産生電動勢。

  讓磁感線穿過掌心,大拇指方向爲運動方向,手指方向爲産生的電動勢方向。爲什麽要講感生電動勢呢?不知道大家有沒有類似的經曆,把電機的三相線合在一起,用手去轉動電機會發現阻力非常大,這就是因爲在轉動電機過程中産生了感生電動勢,從而産生電流,磁場中電流流過導體又會産生和轉動方向相反的力,大家就會感覺轉動有很大的阻力。不信可以試試。

  三相線分開,電機可以輕松轉動

  三相線合並,電機轉動阻力非常大

  右手螺旋定則,用右手握住通電螺線管,使四指彎曲與電流方向一致,那麽大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。

  這個定則是通電線圈判斷極性的基礎,紅色箭頭方向即爲電流方向。

  看完了三大定則,我們接下來先看看電機轉動的基本原理。

  第一部分:直流電機模型

  我們找到一個中學物理學過的直流電機的模型,通過磁回路分析法來進行一個簡單的分析。

  狀態1

  當兩頭的線圈通上電流時,根據右手螺旋定則,會産生方向指向右的外加磁感應強度B(如粗箭頭方向所示),而中間的轉子會盡量使自己內部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致,以形成一個最短閉合磁力線回路,這樣內轉子就會按順時針方向旋轉了。

  當轉子磁場方向與外部磁場方向垂直時,轉子所受的轉動力矩最大。注意這裏說的是“力矩”最大,而不是“力”最大。誠然,在轉子磁場與外部磁場方向一致時,轉子所受磁力最大,但此時轉子呈水平狀態,力臂爲0,當然也就不會轉動了。補充一句,力矩是力與力臂的乘積。其中一個爲零,乘積就爲零了。

  當轉子轉到水平位置時,雖然不再受到轉動力矩的作用,但由于慣性原因,還會繼續順時針轉動,這時若改變兩頭螺線管的電流方向,如下圖所示,轉子就會繼續順時針向前轉動。

  狀態2

  如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向,內轉子就會不停轉起來了。改變電流方向的這一動作,就叫做換相。補充一句:何時換相只與轉子的位置有關,而與其他任何量無直接關系。

  第二部分:三相二極內轉子電機

  一般來說,定子的三相繞組有星形聯結方式和三角聯結方式,而“三相星形聯結的二二導通方式”最爲常用,這裏就用該模型來做個簡單分析。

  上圖顯示了定子繞組的聯結方式(轉子未畫出假想是個二極磁鐵),三個繞組通過中心的連接點以“Y”型的方式被聯結在一起。整個電機就引出三根線A,B,C。當它們之間兩兩通電時,有6種情況,分別是AB,AC,BC,BA,CA,CB注意這是有順序的。

  第一階段:AB相通電

 

  當AB相通電,則A極線圈産生的磁感線方向如紅色箭頭所示,B極産生的磁感線方向如圖藍色箭頭所示,那麽産生的合力方向即爲綠色箭頭所示,那麽假設其中有一個二極磁鐵,則根據“中間的轉子會盡量使自己內部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”則N極方向會與綠色箭頭所示方向重合。至于C,暫時沒他什麽事。


  第二階段:AC相通電電機原理

  第三階段:BC相通電電機原理

  爲了節省篇幅,我們就不一一描述CA\CB的模型,大家可以自己類推一下。以下爲中間磁鐵(轉子)的狀態圖:

  每個過程轉子旋轉60度

  六個過程即完成了完整的轉動,其中6次換相

  第三部分:三相多繞組多極內轉子電機

  我們再來看一個複雜點的,圖(a)是一個三相九繞組六極(三對極)內轉子電機,它的繞組連線方式見圖(b)。從圖(b)可見,其三相繞組也是在中間點連接在一起的,也屬于星形聯結方式。一般而言,電機的繞組數量都和永磁極的數量是不一致的(比如用9繞組6極,而不是6繞組6極),這樣是爲了防止定子的齒與轉子的磁鋼相吸對齊。

  其運動的原則是:轉子的N極與通電繞組的S極有對齊的運動趨勢,而轉子的S極與通電繞組的N極有對齊的運動趨勢。

  即爲S與N相互吸引,注意跟之前的分析方法有一定的區別。

  好吧,還是再幫大家分析一下吧,

  第一階段:AB相通電

  第二階段:AC相通電

  第三階段:BC相通電

  第四階段:BA通電

  第五階段:CA通電

  第六階段:CB通電

  以上爲六個不同的通電狀態,其中經曆了五個轉動過程。每個過程爲20度。

  第四部分:外轉子無刷直流電機

  看完了內轉子無刷直流電機的結構,我們來看外轉子的。其區別就在于,外轉子電機將原來處于中心位置的磁鋼做成一片片,貼到了外殼上,電機運行時,是整個外殼在轉,而中間的線圈定子不動。外轉子無刷直流電機較內轉子來說,轉子的轉動慣量要大很多(因爲轉子的主要質量都集中在外殼上),所以轉速較內轉子電機要慢,通常KV值在幾百到幾千之間。也是航模主要運用的無刷電機。

  順便啰嗦一下吧。無刷電機KV值定義爲:轉速/V,意思爲輸入電壓每增加1伏特,無刷電機空轉轉速增加的轉速值。比如說,標稱值爲1000KV的外轉子無刷電機,在11伏的電壓條件下,最大空載轉速即爲:11000rpm(rpm的含義是:轉/分鍾)。

  同系列同外形尺寸的無刷電機,根據繞線匝數的多少,會表現出不同的KV特性。繞線匝數多的,KV值低,最高輸出電流小,扭力大;繞線匝數少的,KV值高,最高輸出電流大,扭力小。我先前測試過穿越機2204電機的極限電流,單電機能彪上25A,而2212系列電機15A都上不了。

  外轉子無刷直流電機的結構

  分析方法也和內轉子電機類似,大家可以自己分析一下,根據右手螺旋定理判斷線圈的N/S極,轉子永磁體的N極與定子繞組的S極有對齊(吸引)的趨勢,轉子永磁體的S極與定子繞組的N極有對齊(吸引)的趨勢,從而驅動電機轉動。

  經典無刷電機22121000kv電機結構分析。

  圖爲DJI2312S電機和XXD2212電機的(解剖圖)

  其結構如下:定子繞組固定在底座上,轉軸和外殼固定在一起形成轉子,插入定子中間的軸承。

  圖爲線圈拆解圖

  圖爲12繞組14極(即7對極),電機繞組繞發圖

  後面畫出了6種兩相通電的情形,可以看出,盡管繞組和磁極的數量可以有許多種變化,但從電調控制的角度看,其通電次序其實是相同的,也就是說,不管外轉子還是內轉子電機,都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的順序進行通電換相。當然,如果你想讓電機反轉的話,電子方法是按倒過來的次序通電;物理方法直接對調任意兩根線,假設A和B對調,那麽順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA,大家有沒有發現這裏順序就完全倒過來了。

  AB相通電

  AC相通電

  BC相通電

  BA相通電

  CA相通電

  CB相通電

  要說明一下的是,由于每根引出線同時接入兩個繞組,所以電流是分兩路走的。這裏爲使問題盡量簡單化,下面幾個圖中只畫出了主要一路的電流方向,還有一路電流未畫出,另一路電流的具體情況放在後面進行分析,涉及到電路檢測換相位置。

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