最基本的電機是 “DC電機(有刷電機)”。在磁場中放置線圈,通過流動的電流,線圈會被一側的磁極排斥,同時被另一側磁極所吸引,在這種作用下不斷旋轉。在旋轉過程中令通向線圈中的電流反向流動,使其持續旋轉。電機中有個叫"換向器"的部分是靠"電刷"供電的,"電刷"的位置在"轉向器"上方,隨著旋轉不斷移動。通過改變電刷的位置,可使電流方向發生變化。換向器和電刷是DC電機的旋轉所不可或缺的結構(圖一)。
圖一:DC電機(有刷電機)的運轉示意圖。
換向器切換線圈中電流的流向,反轉磁極的方向,使其始終向右旋轉。電刷向與軸一同旋轉的換向器供電。
活躍于多個領域的電機
我們按電源種類和轉動原理對電機進行了分類(圖2)。讓我們來簡單看看各類電機的特點和用途吧。
圖2:電機的主要類型
構造簡單而又容易操控的DC電機(有刷電機)通常被用在家電產品的“光盤托盤的開閉”等用途上。或用在汽車的“電動后視鏡的開閉、方向控制”等用途上。雖然它既廉價又能用在多個領域上,但它也有缺陷。由于換向器會和電刷接觸,它的壽命很短,必須定期更換電刷或保修。
步進電機會隨著向其發出的電脈沖數旋轉。它的運動量取決于向其發出的電脈沖數,因此適用于位置調整。在家庭中通常被用于“傳真機和打印機的送紙”等。由于傳真機的送紙步驟取決于規格(刻紋、細致度),因此隨著電脈沖數旋轉的步進電機非常便于使用。很容易解決信號一旦停止機器就會暫時停止的問題。
旋轉數隨電源頻率變化的同步電機被用于“微波爐的旋轉桌”等用途上。電機組里有齒輪減速器,可以得到適合加熱食品的旋轉數。感應電機也受電源頻率的影響,但頻率和旋轉數不一致。以前這類AC電機被用在風扇或洗衣機上。
由此可見,各式各樣的電機活躍于多個領域。其中,BLDC電機(無刷電機)具有怎樣的特點才會用途如此之廣呢?
BLDC電機是如何旋轉的?
BLDC電機中的“BL”意為“無刷”,就是DC電機(有刷電機)中的“電刷”沒有了。電刷在DC電機(有刷電機)里扮演的角色是通過換向器向轉子里的線圈通電。那么沒有電刷的BLDC電機是如何向轉子里的線圈通電的呢?原來BLDC電動機電機采用永磁體來做轉子,轉子里是沒有線圈的。由于轉子里沒有線圈,所以不需要用于通電的換向器和電刷。取而代之的是作為定子的線圈(圖3)。
DC電機(有刷電機)中被固定的永磁體所制造出的磁場是不會動的,通過控制線圈(轉子)在其內部產生的磁場來旋轉。要通過改變電壓來改變旋轉數。BLDC電機的轉子是永磁體,通過改變周圍的線圈所產生的磁場的方向使轉子旋轉。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉子的旋轉。
圖3:BLDC電機的運轉示意圖。
BLDC電機將永磁體作為轉子。由于無需向轉子通電,因此不需要電刷和換向器。從外部對通向線圈的電進行控制。
BLDC電機的優點
BLDC電機的定子上有三個線圈,每個線圈有兩根電線,電機中共有六根引出線。實際上,由于是內部接線,通常只需要三根線,但還是比先前所說的DC電機(有刷電機)要多出一根。純靠連接電池的正負極是不會動的。至于如何運行BLDC電機將在本系列的第二回中進行說明。此次我們要關注的是BLDC電機的優點。
BLDC電機的第一個特點是“高效率”。可以控制它的回旋力(扭矩)始終保持最大值。DC電機(有刷電機)的話,旋轉過程中最大扭矩只能保持一個瞬間,無法始終保持最大值。若DC電機(有刷電機)想要得到和BLDC電機一樣大的扭矩,只能加大它的磁鐵。這就是為什么小型BLDC電機也能發出強大力量的原因。
第二個特點是“良好的控制性”,與第一個有所關聯。BLDC電機可以絲毫不差的得到你所想要的扭矩、旋轉數等。BLDC電機可以精確地反饋目標旋轉數、扭矩等。通過精確的控制可以抑制電機的發熱和電力的消耗。若是電池驅動,則能通過周密的控制,延長驅動時間。
除此之外還有耐用,電氣噪音小等特點。上述兩點是無電刷所帶來的優勢。而DC電機(有刷電機)由于電刷和換向器之間的接觸,長時間使用會有損耗。接觸的部分還會產生火花。尤其是換向器的縫隙碰到電刷時會出現巨大的火花和噪音。若不希望使用過程中產生噪音,會考慮采用BLDC電機。
BLDC電機適用于這些方面
高效率、多樣操控、壽命長的BLDC電機一般會用在哪些地方呢?往往被用于能夠發揮其高效率、壽命長的特點,被連續使用的產品中。例如:家電。人們很早就開始使用洗衣機和空調了。最近電風扇中也開始采用BLDC電機,并成功促使消耗電力大幅度下降。正是因為效率高才讓消耗電力下降的。
吸塵機中也采用了BLDC電機。在某個事例中,通過變更控制系統,實現了旋轉數的大幅度上升。這個事例體現了BLDC電機的良好控制性。
作為重要存儲介質的硬盤,其旋轉部分也采用了BLDC電機。由于它是需要長時間運轉的電機,因此耐用性很重要。當然,它還有極力抑制電力消耗的用途。這里的高效率也和電力的低消耗有關。
BLDC電機的用途還有很多
BLDC電機有望被應用在更廣泛的領域中。BLDC電機將會在小型機器人,尤其是在制造以外的領域提供服務的“服務機器人”中得到廣泛應用。“定位對于機器人很重要,不是應該使用隨電脈沖數運行的步進電機嗎?”或許會有人這么想。但是在力量控制方面,BLDC電機更合適。另外,若采用步進電機,像機器人手腕這樣的構造要固定在某個位置需要提供相當大的電流。若是BLDC電機,則能配合外力只提供所需的電力,從而抑制電力的消耗。
還可用于運輸方面。一直以來,老年人電動車或高爾夫球車中大多采用簡單的DC電機,但最近都開始采用具有良好控制性的高效率BLDC電機了。可以通過細微的控制,延長電池的持續時間。BLDC電機還適用于無人機中。尤其是多軸機架的無人機,由于它是通過改變螺旋槳的旋轉數來控制飛行姿態的,因此能夠精密控制旋轉的BLDC電機很有優勢。
怎么樣?BLDC電機是效率高、控制性良好、壽命長的優質電機。但是,要想將BLDC電機的力量發揮到極致,則需要正確的控制。該如何操作呢?
僅靠連接無法轉動
內轉子型BLDC電機是典型的BLDC電機的一種,其外觀與內部構造如下所示(圖1)。帶刷DC電機(以下稱為DC電機)的轉子上有線圈,外側放有永磁體。BLDC電機的轉子上有永磁體,外側是線圈。BLCD電機的轉子沒有線圈,是永磁體,因此沒有必要在轉子上通電。實現了不帶通電用的電刷的“無刷型”。
另一方面,與DC電機相比,控制也變得更難了。并不是只要將電機上的電纜接上電源就好了。本來就連電纜數目都不一樣。和“將正極(+)和負極(-)連上電源”的方式不同。
圖1:BLDC電機的外觀及內部構造
轉子是永磁體,因此無法通電。無需電刷及換向器,可謀求延長使用壽命
改變磁通量的方向
為了轉動BLDC電機,必須控制線圈的電流方向及時機。圖2-A是將BLDC電機的定子(線圈)和轉子(永磁體)模式化的結果。使用該圖片,思考一下轉子旋轉的情況吧。思考使用3個線圈的情況。雖然實際上也有使用6個或以上的線圈的情況,但在考慮原理的基礎上,每120度放一個線圈,使用3個線圈。電機將電氣(電壓、電流)轉換為機械性旋轉。圖2-A的BLDC電機又是如何轉動呢?先來看一看電機中發生了什么吧。
圖2-A:BLDC電機轉動原理
BLDC電機中每隔120度放置一個線圈,總共放置三個線圈,控制通電相或線圈的電流。
如圖2-A所示,BLDC電機使用3個線圈。這三個線圈用以在通電后生成磁通量,將其命名為U、V、W。將該線圈通電試試看吧。線圈U(以下簡稱為“線圈”)上的電流路徑記為U相,V的記錄為V相,W的記錄為W相。接下來看一看U相吧。向U相通電后,將產生如圖2-B所示的箭頭方向的磁通量。
但實際上,U、V、W的電纜都是互相連接著的,因此無法僅向U相通電。在這里,從U相向W相通電,會如圖2-C所示在U、W產生磁通量。合成U和W的兩個磁通量,變為圖2-D所示的較大的磁通量。永磁體將進行旋轉,以使該合成磁通量與中央的永磁體(轉子)的N極方向相同。
圖2-B:BLDC電機的轉動原理
從U相向W向通電。首先,只關注線圈U部分,則發現會產生如箭頭般的磁通量。
圖2-C:BLDC電機的轉動原理
從U相向W相通電,則會產生方向不同的2個磁通量。
圖2-D:BLDC電機的轉動原理
從U相向W相通電,可以認為產生了兩個磁通量合成的磁通量。
若改變合成磁通量的方向,則永磁體也會隨之改變。配合永磁體的位置,切換U相、V相、W相中通電的相,以變更合成磁通量的方向。連續執行此操作,則合成磁通量將發生旋轉,從而產生磁場,轉子旋轉。
圖3所示的是通電相與合成磁通量的關系。在該例中,按順序從1-6變更通電模式,則合成磁通量將順時針旋轉。通過變更合成磁通量的方向,控制速度,可控制轉子的旋轉速度。將切換這6種通電模式,控制電機的控制方法稱為“120度通電控制”。
圖3:轉子的永久磁石會像被合成磁通量牽引一樣旋轉,電機的軸也會因此旋轉
使用正弦波控制,進行流暢的轉動
接下來,盡管在120度通電控制下合成磁通量的方向會發生旋轉,但其方向不過只有6種。比如將圖3的“通電模式1”改為“通電模式2”,則合成磁通量的方向將變化60度。然后轉子將像被吸引一樣發生旋轉。接下來,從“通電模式2”改為“通電模式3”,則合成磁通量的方向將再次變化60度。轉子將再次被該變化所吸引。這一現象將反復出現。這一動作將變得生硬。有時這動作還會發出噪音。
能消除120度通電控制的缺點,實現流暢的轉動的正是“正弦波控制”。在120度通電控制中,合成磁通量被固定在了6個方向。進行控制,使其進行連續的變化。在圖2-C的例子中,U和W生成的磁通量大小相同。但是,若能較好地控制U相、V相、W相,則可讓線圈各自生成大小各異的磁通量,精密地控制合成磁通量的方向。調整U相、V相、W相各相的電流大小,與此同時生成了合成磁通量。通過控制這一磁通量連續生成,可使電機流暢地轉動。
圖4:正弦波控制
正弦波控制可控制3相上的電流,生成合成磁通量,實現流暢的轉動。可生成120度通電控制無法生成的方向上生成合成磁通量。
使用逆變器控制電機
那么U、V、W各相上的電流又如何呢?為便于理解,回想120度通電控制的情況看看吧。請再次查看圖3。在通電模式1時,電流從U流至W;在通電模式2時,電流從U流至V。可以看出,每當有電流流動的線圈的組合發生改變時,合成磁通量箭頭的方向也會發生變化。
接下來,請看通電模式4。在該模式下,電流從W流至U,與通電模式1的方向相反。在DC電機中,像這樣的電流方向的轉換是由換向器和刷子的組合來進行了。但是,BLDC電機不使用這樣的接觸型的方法。使用逆變器電路,更改電流的方向。在控制BLDC電機時,一般使用的是逆變器電路。
另外逆變器電路可改變各相中的外加電壓,調整電流值。電壓的調整中,常用的是PWM(Pulse Width Modulation=脈沖寬度調制)。PWM是一種通過調整脈沖ON/OFF的時間長度改變電壓的方法,重要的是ON時間和OFF時間的比率(占空比)變化。若ON的比率較高,可以得到和提高電壓相同的效果。若ON的比率下降,則可以得到和電壓降低相同的效果(圖5)。
為了實現PWM,現在還有配備了專用硬件的微電腦。進行正弦波控制時需控制3相的電壓,因此比起只有2相通電的120度通電控制來說,軟件要稍稍復雜一些。逆變器是對驅動BLDC電機必要的電路。交流電機中也使用了逆變器,但可以認為家電產品中所說的“逆變器式”幾乎使用的是BLDC電機。
圖5:PWM輸出與輸出電壓的關系
變更某時間內的ON時間,以變更電壓的有效值。ON時間越長,有效值越接近施加100%電壓時(ON時)的電壓。
使用位置傳感器的BLDC電機
以上是BLDC電機的控制的概況。BLDC電機通過改變線圈生成的合成磁通量的方向,使轉子的永磁體隨之變化。
實際上,在以上的說明中,還有一點沒有提到。即BLDC電機中的傳感器的存在。BLDC電機的控制是配合著轉子(永磁體)的位置(角度)進行的。因此,獲取轉子位置的傳感器是必需的。若沒有傳感器得知永磁體的方向時,轉子可能會轉至意料之外的方向。有傳感器提供信息的話,就不會出現這樣的情況了。
表1中顯示的是BLDC電機主要的位置檢測用傳感器的種類。根據控制方式的不同,需要的傳感器也是不同的。在120度通電控制中,為判斷要對哪個相通電,配備了可每60度輸入一次信號的霍爾效應傳感器。另一方面,對于精密控制合成磁通量的“矢量控制”(在下一項中說明)來說,轉角傳感器或光電編碼器等高精度傳感器較為有效。
通過使用這些傳感器可以檢測出位置,但也會帶來一些缺點。傳感器防塵能力較弱,而且維護也是不可或缺的。可使用的溫度范圍也會縮小。使用傳感器或為此增加配線都會造成成本的上升,而且高精度傳感器本身就價格高昂。于是,“無傳感器”這一方式登場了。它不使用位置檢測用傳感器,以此控制成本,且不需要傳感器相關的維護。但此次為了說明原理,因此假定已從位置傳感器獲得了信息來吧。
通過矢量控制時刻保持高效率
正弦波控制為3相通電,流暢地改變合成磁通量的方向,因此轉子將流暢地旋轉。120度通電控制切換了U相、V相、W相中的2相,以此來使電機轉動,而正弦波控制則需要精確地控制3相的電流。而且控制的值是時刻變化的交流值,因此,控制變得更為困難。
在這里登場的便是矢量控制了。矢量控制可通過坐標變換,把3相的交流值作為2相的直流值進行計算,因此可簡化控制。但是,矢量控制計算需要高分辨率下的轉子的位置信息。位置檢測有兩種方法,即使用光電編碼器或轉角傳感器等位置傳感器的方法,以及根據各相的電流值進行推算的無傳感器方法。通過該坐標變換可直接控制扭矩(旋轉力)的相關電流值,從而實現沒有多余電流的高效控制。
但是,矢量控制中需要進行使用三角函數的坐標變換,或復雜的計算處理。因此,大多情況下都會使用計算能力較強的微電腦作為控制用微電腦,比如配備了FPU(浮點運算器)的微電腦等。
以上是艾普小編為大家分享的關于直流無刷電機及正常的使用方法,但是若想提高直流無刷電機出廠質量、降低電機生產不良率,這時候還需要用到電機生產過程中的檢測設備,今日艾普小編為大家推出的產品是:直流無刷電機綜合測試系統。
本系列產品主要應用于汽車、風扇、空調、洗衣機等產品上的無刷電機整機的電氣綜合性能參數快速精準測試。系統由測試工裝、工業計算機、測試主機、系統控制軟件以及各個功能模塊等組成,可以實現對無刷電機整機的安規性能測試,負載測試,設備啟動后按照測試流程依次完成設置的測試項目,測試完成后給出合格以及不合格指示及聲光報警。
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