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【E课堂】有刷无刷DC电机特性及优缺点

日期:2019-03-16 22:56

  随着对低能耗、高安全性、高可靠性和精确控制的需求不断提升,工业自动化的工业驱动日趋复杂,需要尖端的电机技术的支持。本期大讲台将详细解读直流有刷电机和直流无刷电机的优缺点、设计要素等相关内容。

  刷式直流电机是现有历史最久的电机拓扑之一。它们将固定刷子安装在定子机座上,摩擦转子上的换向片,而后者又连接至旋转的线圈段。随着电机旋转,不同转子线圈不断连接和断开,这样转子产生的净磁场相对于定子机座就是固定的,且通过定子磁场正确定向,从而产生扭矩。当换向片旋转过刷子时,这些特定转子线圈段的电触头将会断开。由于转子线圈是电感的,而电感器生成高回扫电压来抵抗电流变化,因此刷子和断开的换向片之间会产生火花。这些火花会导致很多负面结果,如电噪声、效率降低,以及某些情况下的危险操作。此外,刷子必须安装弹簧来抵抗换向片,以确保电接触良好。这进一步降低了效率,需要定期维护更换刷子。

  尽管有诸多劣势,但刷式直流电机有一显著优势:成本。由于控制刷式直流电机相对简单,因此还广泛用于系统成本是主要驱动因素的应用中。在使用永久磁性生成定子磁通的拓扑中,产生的速度/扭矩曲线非常有线性特征。因此,刷式直流电机历来常用于工业伺服应用,速度和扭矩分别与所应用的电压和电流成正比。但是,半导体器件的跌价使得电源转换和控制的成本降低。因此,许多直流电机被交流电机所取代,后者带来了效率和可靠性提高等优势。

  刷式直流电机的主题多种多样,如直流并联电机和通用电机,两者都使用定子线圈代替永久磁性。在直流并联电机中,定子线圈与转子电路并联;而在通用电机中,定子线圈与转子串联。通用电机在家电应用中尤其常用,因为它具有高启动扭矩,可以高速运行。只需添加串联晶闸管并进行交流相位控制,便可轻松对通用电机进行速度控制。但是,刷子/换向器结构常见于这些电机类型,因此它们具有标准 PM 刷式直流电机相同的劣势。

  无刷直流(BLDC)电机可以想像成与刷式直流电机截然相反,其中永久磁性在转子上,而绕线在定子上。因此,该电机没有刷子和换向器,消除了与刷式直流电机产生火花相关的劣势。

  该电机被称为直流电机,是因为其线圈通过直流电源驱动,而直流电源是按预定顺序的形式应用到不同的定子线圈。 这一过程称为换向。但是,BLDC 并不恰当,因为该电机实际上属于交流电机。 在电路循环过程中,每个线圈中的电流正负交替。定子一般是凸极结构,旨在产生梯形反电动势波形,尽可能符合所应用的换向电压波形。但是实际上很难做到,产生的反电动势波形通常更像正弦,而非梯形。因此,PMSM 电机使用的许多控制技术(如场定向控制)同样适用于 BLDC 电机。

  对BLDC电机的另一个误解是关于其如何驱动。不同于开环步进应用中驱动的定子线圈决定转子位置,在 BLDC 电机中,转子位置决定要驱动哪个定子线圈。定子磁通矢量位置必须与转子磁通矢量位置保持同步(而非相反),以使电机操作顺畅。要实现这一目的,需要了解转子位置来确定要驱动的定子线圈。现有多种技术可实现这一目的,但最常用的技术是使用霍尔效应传感器监控转子位置。遗憾的是,这些传感器及其相关连接器和线束会增加系统成本,并降低可靠性。

  为减少这些问题,已有多种技术开发出来用于消除这些传感器,进而实现无传感器操作。 多数技术依靠在电机旋转时,从定子绕线的反电动势波形中提取位置信息。 但是,依靠反电动势传感的技术在电机旋转缓慢或静止时便无用武之地,因为此时反电动势波形很弱或根本不存在。因此,我们不断开发新技术,以在低转速或零转速时从其他信号中获取转子位置信息。

  BLDC 电机在效率额定值方面占绝对优势,一般可达到 95% 左右。 当前对新非晶合金材料的研究正在将这一数字推向新高。已有报道称 100W 范围内效率为 96%。 BLDC 电机还在争夺世界最快电机之称,部分电机速度可达到数十万 RPM(其中一项应用中已报道 400K RPM)。

  最常用的 BLDC 电机拓扑使用 3 相定子结构。 因此,标准的 6 晶体管反向器是最常用的功率级,如图所示。根据运行要求(有传感器与无传感器、换向与正弦、PWM 与 SVM 等),有很多不同的方法可驱动晶体管来达到所需目标,此处不一一列举。这对一般位于微控制器中的 PWM 发生器的灵活性提出了极高要求。

  a) 电子换向来代替传统的机械换向,性能可靠、永无磨损、故障率低,寿命比有刷电机提高了约6倍,代表了电动车的发展方向;

  a) 低速起动时有轻微振动,如速度加大换相频率增大,就感觉不到振动现象了;

  c) 易形成共振,因为任何一件东西都有一个固有振动频率,如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象,但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。所以采用无刷电机驱动的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象。

  最大扭矩:可以通过将负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加得到,另外,还有一些额外的因素影响最大扭矩如气隙空气的阻力等。

  平方模扭矩:可以近似的认为是实际应用需要的持续输出扭矩,由许多因素决定:最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速及运行时间等。

  转速:这是有应用需求的转速,可以根据电机的转速梯形曲线来确定电机的转速需求,通常计算时要留有10%的余量。

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