1.1    直流有刷電機(jī)

1.1.1 直流有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

介紹無(wú)刷直流電機(jī)前，需要先了解直流有刷電機(jī)。圖1-1所示為直流有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖，其主要部件組成如圖1-2所示。

圖1-1 直流有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

圖1-2 直流有刷電機(jī)組件

1.1.2直流有刷電機(jī)的工作原理

其工作原理非常簡(jiǎn)單，當(dāng)DC電流通過(guò)電刷進(jìn)入，并通過(guò)換向器流進(jìn)電機(jī)的繞組內(nèi)，然后通過(guò)電刷與換向器之間的相對(duì)位置變化，改變流入電機(jī)繞組內(nèi)的電流方向，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.1.3 直流有刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

圖1-3給出了直流有刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1-3 直流有刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2    無(wú)刷直流電機(jī)

1.2.1  無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

通過(guò)分析可知，直流有刷的確定主要是由于電刷和換向器導(dǎo)致的。因此，無(wú)刷直流電機(jī)的最大特點(diǎn)就是去掉了電刷和換向器。為此，它也失去了改變電流方向的能力。為了彌補(bǔ)這個(gè)損失，它需要增加電子換向器。無(wú)刷直流電機(jī)與有刷電機(jī)的另外一個(gè)主要區(qū)別是互換了繞組和永磁體的位置。如圖1-4所示的典型的三相直流無(wú)刷電機(jī)(brushless DC motor，如果直譯應(yīng)該是無(wú)刷直流電機(jī)，但是筆者習(xí)慣了直流無(wú)刷電機(jī)的說(shuō)法，所以文章中可能會(huì)出現(xiàn)兩種說(shuō)法，大家了解這是指同一個(gè)東西即可)，永磁體放在了轉(zhuǎn)子上，繞組放在了定子上(此為內(nèi)轉(zhuǎn)子形式，也有外轉(zhuǎn)子形式的會(huì)將永磁體放在外部)，已經(jīng)看不到電刷和換向器，但是需要增加電子換向器。無(wú)刷直流電機(jī)需要獲得轉(zhuǎn)子的位置，以便通過(guò)電子換向器正確的進(jìn)行換相，這一般是通過(guò)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的。但獲取換相點(diǎn)并不一定必須通過(guò)霍爾傳感器，所以圖1-4中并未給出霍爾傳感器。圖1-5給出了帶霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)圖。霍爾傳感器的布置原理將在后續(xù)文章中介紹。圖1-6是一臺(tái)無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)際產(chǎn)品，可以將圖1-4與圖1-6結(jié)合來(lái)看。

圖1-4 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖

圖1-5 帶霍爾傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1-6 無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)物圖

1.2.2 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理

直流無(wú)刷電機(jī)主要是靠霍爾傳感器或者反電動(dòng)勢(shì)獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)設(shè)定的換相表獲得當(dāng)前時(shí)間應(yīng)該給哪兩相繞組通電，從而獲得定子磁鏈和反向與轉(zhuǎn)子磁鏈的方向呈一定的角度。

下面通過(guò)一組圖片解釋無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理。為了方便介紹，我們約定，電機(jī)為單相通電(這與實(shí)際電機(jī)結(jié)構(gòu)不符，但是可以方便說(shuō)明問(wèn)題)，選轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，繞組布置方向也是順時(shí)針。電機(jī)的初始狀態(tài)如圖1-7所示，此時(shí)所有相都未通電，右半部分為三相的電流示意圖。

圖1-7 未通電狀態(tài)

現(xiàn)在假設(shè)從繞組A開(kāi)始，一相一相的通電，每相的通電時(shí)間為60度電角度，則轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到圖1-8所示的位置。

圖1-8 第一步通電情況

為了讓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，波動(dòng)不是很大，下一步應(yīng)該給C相通負(fù)方向的電流，如圖1-9所示。

圖1-9 第二步通電情況

以此類(lèi)推，我們可以得到剩下的幾步的通電情況如圖所示。

圖1-10 第三步通電情況

圖1-11 第四步通電情況

圖1-12 第五步通電情況

圖1-13 第六步通電情況

以上六步完成一個(gè)電周期，下一步將與第一步重合。電機(jī)就這樣一直旋轉(zhuǎn)下去。

圖14 第七步通電情況

現(xiàn)在，觀察圖1-8到圖1-14，當(dāng)轉(zhuǎn)子靠近線圈A時(shí)，給下一個(gè)線圈C勵(lì)磁，當(dāng)轉(zhuǎn)子靠近線圈C時(shí)，又變成下一個(gè)線圈B勵(lì)磁。再然后，還是按照A-B-C的順序勵(lì)磁，但是要改變線圈勵(lì)磁的方向。也就是說(shuō)無(wú)刷直流電機(jī)若要實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，則三相繞組的正端頭phA，phB，phC需要在正負(fù)極之間切換，也就是改變繞組中的電流方向。這樣才能保證定子繞組的磁場(chǎng)始終吸引轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，利用兩個(gè)磁極異性相吸的原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)。注意，必須在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)重合前改變定子磁場(chǎng)的方向。

在上面的分析中，僅有一相繞組通電，轉(zhuǎn)矩也僅有這一相產(chǎn)生，效率很低。所以更好的控制方式是每次給兩相繞組通電。每相繞組的通電時(shí)間為120度電角度，剩余的一相未通電繞組可以用來(lái)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)并執(zhí)行換相。這樣每次通電過(guò)程中，可以產(chǎn)生雙倍的扭矩，效率提高。圖1-15到圖1-20給出了兩相通電時(shí)的示意圖。注意，在圖1-15到圖1-20中，我們已經(jīng)把三個(gè)獨(dú)立線圈的一端連接在一起，形成了Y型連接，這樣可以方便電子換向。

圖1-15: AB兩相導(dǎo)通

圖1-16 AC兩相通電

圖1-17 BC兩相導(dǎo)通

圖1-18 BA兩相導(dǎo)通

圖1-19 CA兩相導(dǎo)通

圖1-20 CB兩相導(dǎo)通

如果把兩種導(dǎo)通方式放在一起進(jìn)行比較，則如圖1-21-圖1-28所示。

圖1-21 初始狀態(tài)對(duì)比

圖1-22 第一步狀態(tài)對(duì)比

圖1-23 第二步狀態(tài)對(duì)比

圖1-24 第三步狀態(tài)對(duì)比

圖1-25 第四步狀態(tài)對(duì)比

圖1-26 第五步狀態(tài)對(duì)比

圖1-27 第六步狀態(tài)對(duì)比

圖1-28 第七步狀態(tài)對(duì)比

此時(shí)，你可能仍然又一個(gè)疑問(wèn)。我應(yīng)該在什么時(shí)候給哪兩相通電？如何來(lái)實(shí)現(xiàn)？

這就要利用到無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)章節(jié)講到的霍爾信號(hào)和電子換向裝置。如圖1-29所示，通過(guò)霍爾傳感器得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來(lái)決定給哪相繞組通電。

圖1-29 無(wú)刷直流電機(jī)換相原理

具體過(guò)程如圖1-30所示，根據(jù)當(dāng)前采集的HALL值，按照定義好的換相表可知此時(shí)應(yīng)該給A相通正向電流，C相通負(fù)電流(定義電流的正方向?yàn)榱魅肜@組)。同理，在60度電角度以后，HALL值再次發(fā)生跳變，同樣的原理可得此時(shí)應(yīng)該給B相通正電流，C相通負(fù)電流，如圖1-31所示。

圖1-30 A相正電流C相負(fù)電流

圖1-31 B相通正電流C相通負(fù)電流

1.2.3 無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

圖1-32給出了無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)分析。

圖1-32無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)