直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的組成及原理
一、基本組成
直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成．如圖6-1所示，其中直流電源通過(guò)電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路向電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電，位置傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，并提供信號(hào)控制電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件，使之按照一定的規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
1．電動(dòng)機(jī)本體
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的本體是一臺(tái)永磁電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似。轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的具有一定極數(shù)的永磁體，主要有表面式和內(nèi)嵌式兩種，如圖6-2所示。表面式相當(dāng)于圖5-2(a)所示的徑向磁路結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌式相當(dāng)于圖5 2(b)所示的切向磁路結(jié)構(gòu)，只是這里不再需要裝設(shè)用于起動(dòng)的籠型繞組；定子是電動(dòng)機(jī)的電樞，定子鐵心中安放著對(duì)稱(chēng)的多相繞組，各相繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路中的相應(yīng)開(kāi)關(guān)器件相連接。匿6-3所示為五相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
2．電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路
電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路實(shí)際上是一個(gè)電壓型的逆變器．其作用就是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)適時(shí)地給相應(yīng)的定子繞組通電。電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路有半橋式[見(jiàn)圖6—4(a)、(b)]和橋式[見(jiàn)圖6—4(c)、(d)、(e)兩種若按定子繞組相數(shù)來(lái)分,又可分為三相、四相、五相等。其中，應(yīng)用最多的還是三相星形橋式逆變電路[見(jiàn)圖6-4(c)]。
3．轉(zhuǎn)子位置傳感器
位置傳感器也是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于定子各相繞組的位置·以確定各相繞組導(dǎo)通和關(guān)斷的順序。它有多種結(jié)構(gòu)形式，常見(jiàn)的有電磁式、光電式和霍爾元件式，其基本原理可參閱有關(guān)檢測(cè)技術(shù)的書(shū)籍。
二、T作原理
與普通結(jié)構(gòu)的永磁直流電動(dòng)機(jī)不同，在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組放置在定子上．永磁體則放置在轉(zhuǎn)子上。定子各相電樞繞組相對(duì)于轉(zhuǎn)子永磁體的位置，由轉(zhuǎn)子位置傳感器通過(guò)電子方式或電磁方式感知，并利用其輸出信號(hào)，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路，按照一定的邏輯程序去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組相連接的電力電子開(kāi)關(guān)器件，把電流導(dǎo)通到相應(yīng)的電樞繞組。隨著轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，位置傳感器不斷地發(fā)送轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，使電樞繞組不斷地依次通電，不斷地改變通電狀態(tài)-從而使得轉(zhuǎn)子各磁極下電樞導(dǎo)體中流過(guò)電流的方向始終不變。這就是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電子換向的實(shí)質(zhì)。
下面就以三相導(dǎo)通三相星形六狀態(tài)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(見(jiàn)圖6-5)為例，進(jìn)一步說(shuō)明無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。
所謂三相導(dǎo)通-就是每一時(shí)刻總有三個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通．但必須保證同一橋臂上、下兩管不能同時(shí)導(dǎo)通，這就意味著正常情況下三相定子繞組總有電流流過(guò)。設(shè)“＋”表示對(duì)應(yīng)相的上橋臂開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，“一”表示對(duì)應(yīng)相的下橋臂開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，三相繞組的通電順序依次
子永磁體磁動(dòng)勢(shì)，θ為轉(zhuǎn)子永磁體旋轉(zhuǎn)角度(磁極位置角)。當(dāng)永磁體位于起始位置時(shí)，A、c兩相繞組通入電流，而B(niǎo)相繞組流出電流，此時(shí)電流流通的路徑為
電源正極一V1管和V5管一A相和c相繞組一B相繞組一V6管一電源負(fù)極
FS和FN相互作用，使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)π／3到達(dá)該狀態(tài)終止位置時(shí)。與c相繞組相連的V5管關(guān)斷．而V2管導(dǎo)通，開(kāi)始進(jìn)入“A—B—c”通電狀態(tài)，如圖6-6(b)所示．此時(shí)電流流通的路徑為
電源正極→V1管→A相繞組→B相和c相繞組→V6管和V2管→電源負(fù)極
FS和FN相互作用，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
依此下去，將有六種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)，圖6—6所示為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。
從表6 1可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)電動(dòng)機(jī)共有六個(gè)通電狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)都是三相同時(shí)導(dǎo)通，每次換向都只有一個(gè)開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)發(fā)生改變，而每個(gè)開(kāi)關(guān)器件持續(xù)導(dǎo)通的角度均為180°電角度。
綜合以上分析可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的若干位置，來(lái)決定定子側(cè)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻．從而保證定子合成磁動(dòng)勢(shì)在平均意義上與轉(zhuǎn)子永磁體磁動(dòng)勢(shì)同步，這也是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有“同步電動(dòng)機(jī)”之稱(chēng)的一個(gè)重要原因。顯然，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子合成磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的是一種跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因此相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩必然存在一定的脈動(dòng)。
