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直流無刷電動機

無刷直流馬達(英語:Brushless DC Motor)或稱直流無刷電機BLDC电机,是沒有電刷整流子電動機,根據轉子永久磁鐵位置調整定子電流以產生轉矩。雖然是稱“直流”馬達,但实际上是一种使用三相电永磁同步电动机(PMSM)。之所以被称为“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。因此,BLDC电机也被称为EC(电子换向)电机,以便与包含电刷的机械换向电机进行区分[1]

BLDC电机利用電力電子技術(变频器)輸入控制訊號到馬達,以切換直流電的開關和通過的線圈組,而得到力矩使轉子轉動。但這些控制信號,波形沒有限制。方波驱动的称为BLDC,用于位置要求不是很高的场合;正弦波驱动的称PMSM,用于伺服场合[2]

发展

早在1917年Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷的想法。1955年,美国D. Harrison等人申请用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利,标志着现代无刷电机的诞生。[3]

结构

 
BLDC电机的星型连接

較簡單的結構是有一枚永久磁鐵及至少兩組(四個端子)線圈,兩組線圈輪流開關。永久磁鐵是轉子,線圈是定子。當磁鐵與線圈成一直線的時候,斷開該組線圈,啟動下一組線圈。[4]

定子

BLDC电机的定子与感应电机的定子相似,是由绝缘铸钢叠片组成,可以降低涡流的电流损失。多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组,绕组置于沿内部圆周的轴向冲压槽中。直径小于40mm的电机会采用无齿槽设计:它的定子没有铁芯,铁损大幅减少,因此能效等级更高。[5]

转子

转子用永磁体制成,转子里是没有线圈的。可有2到8对磁极,南磁极和北磁极交替排列。使用稀土合金磁体可以提高磁通密度,缩小转子体积。永磁体在转子上的安装方式多种多样:表贴式永磁(SPM)将永磁体装在转子铁芯外圆表面,通常见于高功率密度电机;表面嵌入式永磁(SIPM)电机的永磁体放在转子外表面的凹槽中,使得整个转子为圆柱形,提高了机械强度,防止永磁体在高速旋转时飞出;内置式永磁(IPM)转子结构的机械结构可靠,但安装工艺复杂,多用于高速电机。[6]

类型

BLDC电机有内转子电机和外转子电机两种结构类型。内转子电机的优势在于转子的转动惯量低,散热非常快,在大多数工业应用中广泛使用。外转子电机的定子位于内侧,转子包括一个能够旋转外壳,磁体安装在外壳上,定子发热线圈与环境隔绝,散热相对较慢。由于转子的转动惯量转矩很大且很难控制转子外壳的平衡,所以外转子电机不适用于旋转速度很高的模式。但外转子电机可以拥有更短的结构并通常具备更小的停转转矩,而由于在相同的磁力下,它的转子直径更大,因此其转矩也更大。[7]

以定子绕组中线圈的互连方式分为梯形和正弦电机。采用集中整距绕组时,感应电动势为梯形波,称为永磁无刷直流电机(BLDC);分布绕组时,永磁转子形成正弦磁场,称为永磁同步电机(PMSM)。新型向量控制技术已对无刷直流电机使用正弦波控制,使得转矩波动和低速性能均有较大改善。正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑,但因为绕组之间有额外的互连,从而增加了耗铜量。永磁无刷直流电机(梯形波)的功率密度比永磁同步电机(正弦波)大15%[10]

控制

在控制BLDC电机时,一般使用的是逆变器电路[11],例如脉冲宽度调制(PWM),通过调整脉冲占空比(ON/OFF)改变电压:若ON的比率较高,可以得到和提高电压相同的效果;若ON的比率下降,则可以得到和电压降低相同的效果。另外,BLDC电机的控制是配合着转子(永磁体)的位置(角度)进行的。因此,电机控制还需要获取转子位置。[12]

霍尔传感器

 
定子电流I转矩M與转角α的关系

多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器(Hall sensor)。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时,它们便会发出一个高电平或低电平信号,表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合,就能决定换向的精确顺序。每次换向,都有一个绕组连到控制电源的正极,第二个绕组连到负极,第三个处于失电状态。六步换向定义了给绕组加电的顺序。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。[13]

BLDC的工作原理(三組線圈)块换向组合
  1 2 3 4 5 6
V1/V2(U) -1 0 +1 +1 0 -1
V3/V4(V) +1 +1 0 -1 -1 0
V5/V6(W) 0 -1 -1 0 +1 +1

从技术上来说,霍尔传感器和块换向组合是驱动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,在块换向中,会产生以此为峰值的转矩波动,其频率为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[14]。通电的理想形式是正弦换向,永磁同步电动机(PMSM)的每个绕组都由一个120°正弦波供电,从而产生强度恒定并持续旋转的定子磁场。一般来说,对于精密控制合成磁通量的矢量控制,转角传感器(Angle Sensor)或光电编码器等高精度传感器较为有效。[15]

位置检测专用传感器的种类及特征[16]
电机类型 传感器种类 主要用途 特征
BLDC 霍尔效应传感器 梯形波、120度通电控制 每60度获取一次信号,价格较低,不耐热。
PMSM 光电编码器 正弦波控制、矢量控制 分辨率高,但抗震性、防尘能力较弱,成本较高。
转角传感器 正弦波控制、矢量控制 分辨率高,适用于恶劣环境。

无传感器控制

BLDC电机可以通过监视反电动势信号,而不是霍尔传感器信号来换向。在既定电机磁通量和绕组数固定的情况下,反电动势的幅度与电机的旋转速度成正比。无传感器控制简化了电机结构(不需要附加绕组),节约了成本,但当电机处于静止状态时,无法获得转子位置,因而需要一种特殊的启动方法。当电机在控制模式下运转多个换向周期直到获得一定速度后,无传感器测量便能够确定转子位置。无传感器控制的BLDC电机适合安装在难以检修的位置,或在多灰尘、多油的环境中运行,但不适合需要较低速度的应用,因为此时反电机势很小而难以测量,会造成工作效率不高。[17]

无传感器BLDC电机的控制系统由一个MCU控制芯片加上一个IGBTMOSFET驱动器组成[18],外设器件有三相PWMADC和用于过流保护的比较器[19]

电动机标量控制和矢量控制的比较[20]
控制参数 V/Hz控制 矢量控制 无传感器矢量控制
速度调节 1% 0.001% 0.05%
转矩调节 ±2% ±5%
电机模型 不要求 要求 要求精确的模型
MCU处理功率 高+DSP

特性

BLDC电机的转矩在达到额定值之前都保持不变。电机可达最大转速是额定转速的150%,但从超过额定转速起转矩开始下降。

與傳統有刷式直流電動機相比,無刷式較為安全和可靠。碳刷長期使用有碳粉,高溫環境下,碳粉可能會爆炸。因此,需要定期清理,同時保養成本較高。但同樣的去除電刷需要使用電子技術,不是透過簡單改變電壓就能控制定子的轉動了。[21]

BLDC电机与感应电机比较[22]
特性 BLDC 交流感应电机
转速/转矩特性 特性曲线平坦,在负载额定的条件,可在所有转速下正常工作。 特性曲线非线性,低转速下转矩也低。
输出功率/体积 功率密度高,由于转子采用永磁体,体积较小 功率密度中等,由于定子和转子都有绕组,输出功率与体积之比低于BLDC。
转子惯性 惯性小,动态特性较佳 惯性大,动态特性较差
起动电流 额定值,无需专门的启动电路。 大约是额定值的7倍,应谨慎选择合适的启动电路。通常使用星型-三角形启动器。
控制要求 要保持电机运转,始终需要控制器。还可使用这一控制器控制转速。 固定转速不需要控制器,只有需要改变转速时才需要控制器。
差频 定子和转子磁场的频率相等 转子运行频率低于定子磁场。差频随着电机负载的增大而增加。

应用

恒定负载

 
直流无刷管道风扇。印刷电路板上的两个线圈与风扇组件中的六个圆形永磁体相互作用。

如风扇、泵、吹风机这类应用需要低成本控制器,多数运行在开环状态。[23]

变化负载

家用电器中的洗衣机、干衣机、压缩机,汽车上的燃料泵、电子转向、引擎控制,航空航天领域中的离心机、机械臂、陀螺仪控制等可能使用转速反馈设备,运行在半闭环或全闭环状态。这些应用使用高级控制算法,从而增加了控制器的复杂性,提高了整个系统的造价。[24]

定位应用

机械齿轮或定时传送带等应用中转速和转矩的动态响应很重要,并且可能需要频繁切换转向。可能需要有三个控制环同时工作:转矩控制环、转速控制环和位置控制环。[25]

参见

参考文献

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直流無刷電動機, 無刷直流馬達, 英語, brushless, motor, 或稱直流無刷電機或bldc电机, 是沒有電刷和整流子的電動機, 根據轉子永久磁鐵位置調整定子電流以產生轉矩, 雖然是稱, 直流, 馬達, 但实际上是一种使用三相电的永磁同步电动机, pmsm, 之所以被称为, 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, 因此, bldc电机也被称为ec, 电子换向, 电机, 以便与包含电刷的机械换向电机进行区分, 永磁同步电机, 直流无刷电机的工作原理, bldc电机利用電力電子技術,. 無刷直流馬達 英語 Brushless DC Motor 或稱直流無刷電機或BLDC电机 是沒有電刷和整流子的電動機 根據轉子永久磁鐵位置調整定子電流以產生轉矩 雖然是稱 直流 馬達 但实际上是一种使用三相电的永磁同步电动机 PMSM 之所以被称为 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 因此 BLDC电机也被称为EC 电子换向 电机 以便与包含电刷的机械换向电机进行区分 1 永磁同步电机 直流无刷电机的工作原理 BLDC电机利用電力電子技術 变频器 輸入控制訊號到馬達 以切換直流電的開關和通過的線圈組 而得到力矩使轉子轉動 但這些控制信號 波形沒有限制 方波驱动的称为BLDC 用于位置要求不是很高的场合 正弦波驱动的称PMSM 用于伺服场合 2 目录 1 发展 2 结构 2 1 定子 2 2 转子 3 类型 4 控制 4 1 霍尔传感器 4 2 无传感器控制 5 特性 6 应用 6 1 恒定负载 6 2 变化负载 6 3 定位应用 7 参见 8 参考文献发展 编辑早在1917年Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷的想法 1955年 美国D Harrison等人申请用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利 标志着现代无刷电机的诞生 3 结构 编辑 BLDC电机的星型连接 較簡單的結構是有一枚永久磁鐵及至少兩組 四個端子 線圈 兩組線圈輪流開關 永久磁鐵是轉子 線圈是定子 當磁鐵與線圈成一直線的時候 斷開該組線圈 啟動下一組線圈 4 定子 编辑 参见 定子 BLDC电机的定子与感应电机的定子相似 是由绝缘铸钢叠片组成 可以降低涡流的电流损失 多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组 绕组置于沿内部圆周的轴向冲压槽中 直径小于40mm的电机会采用无齿槽设计 它的定子没有铁芯 铁损大幅减少 因此能效等级更高 5 转子 编辑 参见 转子 转子用永磁体制成 转子里是没有线圈的 可有2到8对磁极 南磁极和北磁极交替排列 使用稀土合金磁体可以提高磁通密度 缩小转子体积 永磁体在转子上的安装方式多种多样 表贴式永磁 SPM 将永磁体装在转子铁芯外圆表面 通常见于高功率密度电机 表面嵌入式永磁 SIPM 电机的永磁体放在转子外表面的凹槽中 使得整个转子为圆柱形 提高了机械强度 防止永磁体在高速旋转时飞出 内置式永磁 IPM 转子结构的机械结构可靠 但安装工艺复杂 多用于高速电机 6 类型 编辑BLDC电机有内转子电机和外转子电机两种结构类型 内转子电机的优势在于转子的转动惯量低 散热非常快 在大多数工业应用中广泛使用 外转子电机的定子位于内侧 转子包括一个能够旋转外壳 磁体安装在外壳上 定子发热线圈与环境隔绝 散热相对较慢 由于转子的转动惯量转矩很大且很难控制转子外壳的平衡 所以外转子电机不适用于旋转速度很高的模式 但外转子电机可以拥有更短的结构并通常具备更小的停转转矩 而由于在相同的磁力下 它的转子直径更大 因此其转矩也更大 7 外轉子設計的永磁直流無刷馬達 力矩馬達是一种特殊的无刷永磁同步电机 8 软驱电机 右上方转子内的环是永磁铁 电动自行车的轮毂电机 9 以定子绕组中线圈的互连方式分为梯形和正弦电机 采用集中整距绕组时 感应电动势为梯形波 称为永磁无刷直流电机 BLDC 分布绕组时 永磁转子形成正弦磁场 称为永磁同步电机 PMSM 新型向量控制技术已对无刷直流电机使用正弦波控制 使得转矩波动和低速性能均有较大改善 正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑 但因为绕组之间有额外的互连 从而增加了耗铜量 永磁无刷直流电机 梯形波 的功率密度比永磁同步电机 正弦波 大15 10 控制 编辑参见 变频器 在控制BLDC电机时 一般使用的是逆变器电路 11 例如脉冲宽度调制 PWM 通过调整脉冲占空比 ON OFF 改变电压 若ON的比率较高 可以得到和提高电压相同的效果 若ON的比率下降 则可以得到和电压降低相同的效果 另外 BLDC电机的控制是配合着转子 永磁体 的位置 角度 进行的 因此 电机控制还需要获取转子位置 12 霍尔传感器 编辑 定子电流I 转矩M與转角a的关系 参见 霍尔传感器 多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器 Hall sensor 每当转子磁极经过霍尔传感器附近时 它们便会发出一个高电平或低电平信号 表示北磁极或南磁极正经过该传感器 根据这三个霍尔传感器信号的组合 就能决定换向的精确顺序 每次换向 都有一个绕组连到控制电源的正极 第二个绕组连到负极 第三个处于失电状态 六步换向定义了给绕组加电的顺序 通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转 13 BLDC的工作原理 三組線圈 块换向组合 1 2 3 4 5 6V1 V2 U 1 0 1 1 0 1V3 V4 V 1 1 0 1 1 0V5 V6 W 0 1 1 0 1 1从技术上来说 霍尔传感器和块换向组合是驱动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 在块换向中 会产生以此为峰值的转矩波动 其频率为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 14 通电的理想形式是正弦换向 永磁同步电动机 PMSM 的每个绕组都由一个120 正弦波供电 从而产生强度恒定并持续旋转的定子磁场 一般来说 对于精密控制合成磁通量的矢量控制 转角传感器 Angle Sensor 或光电编码器等高精度传感器较为有效 15 位置检测专用传感器的种类及特征 16 电机类型 传感器种类 主要用途 特征BLDC 霍尔效应传感器 梯形波 120度通电控制 每60度获取一次信号 价格较低 不耐热 PMSM 光电编码器 正弦波控制 矢量控制 分辨率高 但抗震性 防尘能力较弱 成本较高 转角传感器 正弦波控制 矢量控制 分辨率高 适用于恶劣环境 无传感器控制 编辑 BLDC电机可以通过监视反电动势信号 而不是霍尔传感器信号来换向 在既定电机磁通量和绕组数固定的情况下 反电动势的幅度与电机的旋转速度成正比 无传感器控制简化了电机结构 不需要附加绕组 节约了成本 但当电机处于静止状态时 无法获得转子位置 因而需要一种特殊的启动方法 当电机在控制模式下运转多个换向周期直到获得一定速度后 无传感器测量便能够确定转子位置 无传感器控制的BLDC电机适合安装在难以检修的位置 或在多灰尘 多油的环境中运行 但不适合需要较低速度的应用 因为此时反电机势很小而难以测量 会造成工作效率不高 17 无传感器BLDC电机的控制系统由一个MCU控制芯片加上一个IGBT或MOSFET驱动器组成 18 外设器件有三相PWM ADC和用于过流保护的比较器 19 电动机标量控制和矢量控制的比较 20 控制参数 V Hz控制 矢量控制 无传感器矢量控制速度调节 1 0 001 0 05 转矩调节 差 2 5 电机模型 不要求 要求 要求精确的模型MCU处理功率 低 高 高 DSP特性 编辑BLDC电机的转矩在达到额定值之前都保持不变 电机可达最大转速是额定转速的150 但从超过额定转速起转矩开始下降 與傳統有刷式直流電動機相比 無刷式較為安全和可靠 碳刷長期使用有碳粉 高溫環境下 碳粉可能會爆炸 因此 需要定期清理 同時保養成本較高 但同樣的去除電刷需要使用電子技術 不是透過簡單改變電壓就能控制定子的轉動了 21 BLDC电机与感应电机比较 22 特性 BLDC 交流感应电机转速 转矩特性 特性曲线平坦 在负载额定的条件 可在所有转速下正常工作 特性曲线非线性 低转速下转矩也低 输出功率 体积 功率密度高 由于转子采用永磁体 体积较小 功率密度中等 由于定子和转子都有绕组 输出功率与体积之比低于BLDC 转子惯性 惯性小 动态特性较佳 惯性大 动态特性较差起动电流 额定值 无需专门的启动电路 大约是额定值的7倍 应谨慎选择合适的启动电路 通常使用星型 三角形启动器 控制要求 要保持电机运转 始终需要控制器 还可使用这一控制器控制转速 固定转速不需要控制器 只有需要改变转速时才需要控制器 差频 定子和转子磁场的频率相等 转子运行频率低于定子磁场 差频随着电机负载的增大而增加 应用 编辑恒定负载 编辑 直流无刷管道风扇 印刷电路板上的两个线圈与风扇组件中的六个圆形永磁体相互作用 如风扇 泵 吹风机这类应用需要低成本控制器 多数运行在开环状态 23 变化负载 编辑 家用电器中的洗衣机 干衣机 压缩机 汽车上的燃料泵 电子转向 引擎控制 航空航天领域中的离心机 机械臂 陀螺仪控制等可能使用转速反馈设备 运行在半闭环或全闭环状态 这些应用使用高级控制算法 从而增加了控制器的复杂性 提高了整个系统的造价 24 定位应用 编辑 机械齿轮或定时传送带等应用中转速和转矩的动态响应很重要 并且可能需要频繁切换转向 可能需要有三个控制环同时工作 转矩控制环 转速控制环和位置控制环 25 参见 编辑压电电动机 鼠笼式电动机 永磁同步馬達 步进电机参考文献 编辑 直流无刷电机 Nanotec 2021 12 04 原始内容存档于2021 12 04 永磁无刷直流电机与永磁同步电机比较和分析 翡叶动力 2021 12 05 原始内容存档于2021 12 05 无刷电机的发展历史 恒驱电机 2014 06 25 2021 12 05 原始内容存档于2021 05 10 关于无刷直流马达 Nidec 2021 12 05 原始内容存档于2021 12 05 BLDC电机是什么 其原理及正确用法你知道吗 与非网 2020 07 06 2021 12 04 原始内容存档于2021 12 04 R Krishnan 柴凤 编 永磁无刷电机及其驱动技术 1 北京 机械工业出版社 2012 11 ISBN 978 7 111 40054 7 外转子电机和内转子电机的区别 Hon amp Guan 2020 09 05 2021 12 05 原始内容存档于2021 12 05 什么是力矩电机 ETEL 2021 12 05 原始内容存档于2021 12 05 无刷直流轮毂电机基本简介 九洲电机 2016 04 26 2021 12 05 原始内容存档于2021 12 05 R Krishnan Electric Motor Drives Prentice Hall 2001 2021 12 05 ISBN 978 0130910141 原始内容存档于2021 12 05 PI发布效率达98 5 的高压BLDC电机驱动器IC产品系列 OFweek工控网 2018 11 14 2021 12 06 原始内容存档于2021 12 06 将脉冲宽度调制 PWM 用于无刷直流电机 BLDC 速度控制 电子工程世界 2021 12 05 原始内容存档于2021 12 05 Clarence W de Silva Modeling and Control of Engineering Systems CRC Press 2009 632 633 2021 12 05 ISBN 978 1420076875 原始内容存档于2021 12 05 Texas Instruments Trapezoidal Control of BLDC Motors Using Hall Effect 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