直流无刷电机 _生活百科

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直流无刷电机【直流无刷电机】无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。早在十九纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的套用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。上世纪中叶诞生了电晶体，因而採用电晶体换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。
基本介绍中文名：直流无刷电机
组成：电动机主体和驱动器
特点：机电一体化产品
所属类别：机电机械
套用：得到了广泛的套用
工作原理：微处理机
工作原理无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置感测器。驱动器由功率电子器件和积体电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置感测器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

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无刷直流电机实物图直流电机具有回响快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恆定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恆维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、套用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用複杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在晶片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(analog-to-digital converter，adc)、脉冲宽度调製(pulse wide modulator，pwm)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种套用。结构直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响：n=60．f / p 。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反覆校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载範围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。电源部可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220 v)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率电晶体(q1～q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连线电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调製)决定功率电晶体开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔感测器(hall-sensor)，做为速度之闭迴路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。特点1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；2、具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；3、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；4、体积小、重量轻、出力大；5、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；6、无级调速，调速範围广，过载能力强；7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁製动装置；8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60% 。9、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；10、耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；11、不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；12、根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。套用无刷直流电机的套用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：持续负载套用：主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的套用，这类套用成本较低且多为开环控制。可变负载套用：主要是转速需要在某个範围内变化的套用，对电机转速特性和动态回响时间特性有更高的需求。如家用器具中的、甩乾机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类套用的系统成本相对更高些。定位套用：大多数工业控制和自动控制方面的套用属于这个类别，这类套用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态回响和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类套用。实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数位技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联繫的。它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号感测等领域。在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电机因受到价格的限制，其套用还不十分广泛。下面分别就主要的新型无刷电机进行探索与研究。控制策略一般的自同步无刷直流电动机逆变器和驱动的结构图如图1所示。图中所示之驱动系统通常较多用于电压源逆变器（VSI）。电压源逆变器的对应是电流源逆变器（CSI）。VSI之所以较为广泛运用是因为其成本、重量、动态性能，以及易于控制均优于CSI 。两种逆变器重量和成本的差异是由于VSI採用电容器进行直流耦合，而CSI须要在整流器和逆变器之间接有笨重的电抗器。VSI在动态回响能力上也与CSI不同。由于大的电抗器的作用就是满足CSI作为恆流源的较大的换向重叠角的需要，防止电机绕组中电流的快速变化，抑制电机的高速伺服运行。这就会加大驱动系统中阻尼器的尺寸。对于CSI所期望得到的恆流控制和恆转矩控制性能，在VSI中，也可通过其内部的电流控制环中滞后型电流控制而近似得到。术语“自同步”指的是为了定子相电流脉冲与电机各相反电势一致所需正确的各管导通顺序，驱动电路对即时转子位置信息的要求。