直流无刷电机(BLDC)原理及驱动技术

1、无刷直流电机基础
无刷直流(Brushless Direct Current,BLDC)电机是一种正快速普及的电机类型,它可在家用电器、汽车、航空航天、消费电子、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。无刷直流电机预直流有刷电机的区别主要是换向方式的不同,直流有刷电机的永磁体安装在定子上而电绕组则安装在转子上。在旋转过程中,绕组中的电流通过机械碳刷和转子上的换向器进行换向。BLDC电机的永磁体安装在转子上而电绕组则安装在定子上,采用电子换向,取代直流有刷电机的机械换向器和碳刷,可有效降低电火花的产生。BLDC电机和有刷直流电机及感应电机相比,有许多优点。其中包括:

      (1)更好的转速-转矩特性
      (2)快速的动态响应
      (3)更高的效率
      (4)使用寿命长
      (5)低噪声
      (6)较高的转速范围

2、两相两极无刷电机的工作原理

     

如上图所示,当两头的螺线管通上电流时,根据右手螺旋定则,会产生方向指向右的外加磁感应强度为B的磁场(如图中粗箭头方向所示),而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线与外磁力线保持一致,以形成一个最短闭合磁力线回路,这样转子就会按顺时针方向旋转了,当转子转到水平位置时,此时不再受到转动力矩的作用,但由于惯性原因,还会继续顺时针转动,这时若改变两头螺线管的电流方向,如下图所示,转子会继续顺时针转动
      
        
如此不断改变两头螺线管的电流方向,转子就会不停的转动,改变电流方向的动作,就叫做换相,以上是简单的两相两极无刷电机的工作原理


3、无刷直流电机的换相过程(六步换相)
一般来说,定子的三相绕组有星形联结和三角联结方式,而三相星形联结的二二导通方式最为常用,故这里只对此种情况进行分析
        
         
如上图所示为定子绕组的联结方式(转子未画出),三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机引出三根线 A、 B、C。当它们支架两两通电时,有6种情况,分别是AB、AC、BC、BA、CA、CB,下图中的(a)~(f)分别描述了6种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度方向(红、蓝色表示)和两个线圈的合成磁感应强度方向(绿色表示)
       
       
在上图(a)中,AB相通电,中间的转子(图中未画出)会尽量往绿色箭头方向对齐,当转子到达图(a)中绿色箭头位置时,外线圈换相,改成AC相通电,这时转子会继续转动,并尽量往图(b)中的绿色箭头处对齐,当转子到达图(b)中箭头位置时,外线圈再次换相,改成BC相通电,往后以此类推。当外线圈完成6次换相后,转子正好旋转一周(即360度)。同时注意:换相只与转子位置有关,而与转速无关

下图给出了换相前和换相后合成磁场的方向与转子位置的变化。一般来说,换相时,转子应该处于比与新合成磁力线方向垂直的位置不到一点的钝角位置,这样可以使产生最大的转矩位置的垂直位置正好处于本次通电的中间时刻
         
       

以上就是BLDC电机六步换相的工作原理,每一步或每一区间,相当于60个电角度。六个区间组成了360度电角度或一次电气旋转。
        

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