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無刷電機(jī)工作原理是什么 無刷電機(jī)工作及控制原理圖



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無刷電機(jī)工作原理
 
無刷直流電動機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實現(xiàn)電子換向的,即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動化辦公設(shè)備中。
 
無刷直流電動機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化,沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流(即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置,并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號,經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路,按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。
 
位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。
 
采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機(jī),其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)S眉呻娐返龋┭b在定子組件上,用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。
 
采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機(jī),在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉(zhuǎn)子上裝有遮光板,光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。
 
采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機(jī),是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等),當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時,電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。

圖解:無刷電機(jī)工作及控制原理

由“電工技術(shù)大講壇”推出的

六節(jié)干貨課程,變頻器輕松學(xué)

分享一篇關(guān)于無刷電機(jī)的工作原理一些知識,確保只要有高一物理知識的朋友就能夠看得懂,希望有興趣的朋友耐心往下看,相互學(xué)習(xí)!

起首給大家復(fù)習(xí)幾個基礎(chǔ)定則:左手定則、右手定則、右手螺旋定則。別懵逼,我下面會給大家解釋。

左手定則,這個是電機(jī)轉(zhuǎn)動受力分析的基礎(chǔ),簡單說就是磁場中的載流導(dǎo)體,會受到力的作用。

讓磁感線穿過手掌正面,手指方向為電流方向,大拇指方向為產(chǎn)生磁力的方向,我相信喜歡玩模型的人都還有一定物理基礎(chǔ)的哈哈。

右手定則,這是產(chǎn)生感生電動勢的基礎(chǔ),跟左手定則的相反,磁場中的導(dǎo)體因受到力的牽引切割磁感線產(chǎn)生電動勢。

讓磁感線穿過掌心,大拇指方向為運動方向,手指方向為產(chǎn)生的電動勢方向。為什么要講感生電動勢呢?不知道大家有沒有類似的經(jīng)歷,把電機(jī)的三相線合在一起,用手去轉(zhuǎn)動電機(jī)會發(fā)現(xiàn)阻力非常大,這就是因為在轉(zhuǎn)動電機(jī)過程中產(chǎn)生了感生電動勢,從而產(chǎn)生電流,磁場中電流流過導(dǎo)體又會產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動方向相反的力,大家就會感覺轉(zhuǎn)動有很大的阻力。不信可以試試。

三相線分開,電機(jī)可以輕松轉(zhuǎn)動

三相線合并,電機(jī)轉(zhuǎn)動阻力非常大

右手螺旋定則,用右手握住通電螺線管,使四指彎曲與電流方向一致,那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。

這個定則是通電線圈判定極性的基礎(chǔ),赤色箭頭方向即為電流方向。

看完了三大定則,我們接下來先看看電機(jī)轉(zhuǎn)動的基本原理。

第一部分:直流電機(jī)模型

我們找到一個中學(xué)物理學(xué)過的直流電機(jī)的模型,通過磁回路分析法來進(jìn)行一個簡單的分析。

狀態(tài)1

當(dāng)兩頭的線圈通上電流時,根據(jù)右手螺旋定則,會產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B(如粗箭頭方向所示),而中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致,以形成一個最短閉合磁力線回路,這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會按順時針方向旋轉(zhuǎn)了。

當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場方向與外部磁場方向垂直時,轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動力矩最大。注意這里說的是“力矩”最大,而不是“力”最大。誠然,在轉(zhuǎn)子磁場與外部磁場方向一致時,轉(zhuǎn)子所受磁力最大,但此時轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài),力臂為0,當(dāng)然也就不會轉(zhuǎn)動了。補(bǔ)充一句,力矩是力與力臂的乘積。其中一個為零,乘積就為零了。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到水平位置時,雖然不再受到轉(zhuǎn)動力矩的作用,但由于慣性原因,還會繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動,這時若改變兩頭螺線管的電流方向,如下圖所示,轉(zhuǎn)子就會繼續(xù)順時針向前轉(zhuǎn)動,

狀態(tài)2

如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向,內(nèi)轉(zhuǎn)子就會不停轉(zhuǎn)起來了。改變電流方向的這一動作,就叫做換相。補(bǔ)充一句:何時換相只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān),而與其他任何量無直接關(guān)系。

第二部分:三相二極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)

一般來說,定子的三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式,而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”最為常用,這里就用該模型來做個簡單分析。

上圖顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式(轉(zhuǎn)子未畫出假想是個二極磁鐵),三個繞組通過中心的連接點以“Y”型的方式被聯(lián)結(jié)在一起。整個電機(jī)就引出三根線A, B, C。當(dāng)它們之間兩兩通電時,有6種情況,分別是AB, AC, BC, BA, CA, CB注意這是有順序的。

下面我看第一階段:AB相通電

當(dāng)AB相通電,則A極線圈產(chǎn)生的磁感線方向如赤色箭頭所示,B極產(chǎn)生的磁感線方向如圖藍(lán)色箭頭所示,那么產(chǎn)生的合力方向即為綠色箭頭所示,那么假設(shè)其中有一個二極磁鐵,則根據(jù)“中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”則N極方向會與綠色箭頭所示方向重合。至于C,暫時沒他什么事。

第二階段:AC相通電

第三階段:BC相通電

第三階段:BA相通電

為了節(jié)省篇幅,我們就不一一描述CACB的模型,大家可以自己類推一下。以下為中間磁鐵(轉(zhuǎn)子)的狀態(tài)圖:

每個過程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度

六個過程即完成了完整的轉(zhuǎn)動,其中6次換相

第三部分:三相多繞組多極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)

我們再來看一個復(fù)雜點的,圖(a)是一個三相九繞組六極(三對極)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī),它的繞組連線方式見圖 (b)。從圖(b)可見,其三相繞組也是在中間點連接在一起的,也屬于星形聯(lián)結(jié)方式。一般而言,電機(jī)的繞組數(shù)量都和永磁極的數(shù)量是不一致的(比如用9繞組6極,而不是6繞組6極),這樣是為了防止定子的齒與轉(zhuǎn)子的磁鋼相吸對齊。

其運動的原則是:轉(zhuǎn)子的N極與通電繞組的S極有對齊的運動趨勢,而轉(zhuǎn)子的S極與通電繞組的N極有對齊的運動趨勢。

即為S與N相互吸引,注意跟之前的分析方法有一定的區(qū)別。

好吧,還是再幫大家分析一下吧,

第一階段:AB相通電

第二階段:AC相通電

第三階段:BC相通電

第四階段:BA通電

第五階段:CA通電

第六階段:CB通電

以上為六個不同的通電狀態(tài),其中經(jīng)歷了五個轉(zhuǎn)動過程。每個過程為20度。

第四部分:外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)

看完了內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu),我們來看外轉(zhuǎn)子的。其區(qū)別就在于,外轉(zhuǎn)子電機(jī)將原來處于中心位置的磁鋼做成一片片,貼到了外殼上,電機(jī)運行時,是整個外殼在轉(zhuǎn),而中間的線圈定子不動。外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)較內(nèi)轉(zhuǎn)子來說,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量要大很多(因為轉(zhuǎn)子的主要質(zhì)量都集中在外殼上),所以轉(zhuǎn)速較內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)要慢,通常KV值在幾百到幾千之間。也是航模主要運用的無刷電機(jī)

順便啰嗦一下吧。無刷電機(jī)KV值定義為:轉(zhuǎn)速/V,意思為輸入電壓每增加1伏特,無刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。比如說,標(biāo)稱值為1000KV的外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī),在11伏的電壓條件下,最大空載轉(zhuǎn)速即為:11000rpm(rpm的含義是:轉(zhuǎn)/分鐘)。

同系列同外形尺寸的無刷電機(jī),根據(jù)繞線匝數(shù)的多少,會表現(xiàn)出不同的KV特性。繞線匝數(shù)多的,KV值低,最高輸出電流小,扭力大;繞線匝數(shù)少的,KV值高,最高輸出電流大,扭力小。我先前測試過穿越機(jī)2204電機(jī)的極限電流,單電機(jī)能彪上25A,而2212系列電機(jī)15A都上不了。

外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

分析方法也和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)類似,大家可以自己分析一下,根據(jù)右手螺旋定理判定線圈的N/S極,轉(zhuǎn)子永磁體的N極與定子繞組的S極有對齊(吸引)的趨勢,轉(zhuǎn)子永磁體的S極與定子繞組的N極有對齊(吸引)的趨勢,從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。

經(jīng)典無刷電機(jī)2212 1000kv電機(jī)結(jié)構(gòu)分析。

圖為DJI 2312S電機(jī)和XXD 2212電機(jī)的(解剖圖)

其結(jié)構(gòu)如下:定子繞組固定在底座上,轉(zhuǎn)軸和外殼固定在一起形成轉(zhuǎn)子,插入定子中間的軸承。

圖為xxd2212線圈拆解圖

圖為12繞組14極(即7對極),電機(jī)繞組繞發(fā)圖

后面畫出了6種兩相通電的情形,可以看出,盡管繞組和磁極的數(shù)量可以有許多種變化,但從電調(diào)控制的角度看,其通電序次其實是相同的,也就是說,不管外轉(zhuǎn)子還是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī),都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的順序進(jìn)行通電換相。當(dāng)然,如果你想讓電機(jī)反轉(zhuǎn)的話,電子方法是按倒過來的序次通電;物理方法直接對調(diào)任意兩根線,假設(shè)A和B對調(diào),那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA,大家有沒有發(fā)現(xiàn)這里順序就完全倒過來了。

AB相通電

AC相通電

BC相通電

BA相通電

CA相通電

CB相通電

要說明一下的是,由于每根引出線同時接入兩個繞組,所以電流是分兩路走的。這里為使問題盡量簡單化,下面幾個圖中只畫出了主要一路的電流方向,還有一路電流未畫出,另一路電流的具體情況放在后面進(jìn)行分析,涉及到電路檢測換相位置。

來源:大疆社區(qū),作者:少帥-Z版權(quán)歸原作者所有

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