永磁無刷直流電機工作原理

來源：深圳市鑫海文科技有限公司|發(fā)布時間：2022-03-14 17:04

永磁無刷直流電動機是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電動機，其性能與恒定勵磁電流的他勵直流電動機相似，可以由改變電樞電壓來方便地調(diào)速。與他勵式是小功率直流電動機的主要類型直流電動機相比，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、用銅量少等優(yōu)點，。

永磁無刷直流電機是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，由電動機主體和驅(qū)動器組成。

1. 永磁無刷直流電機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。

由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，與他勵直流電動機的電流-轉(zhuǎn)矩特性一樣。

電動機的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流:

Tm=KtIav (N·m)

電動機兩相繞組反電勢的差正比于電動機的角速度:

ELL=Keω (V)

所以電動機繞組中的平均電流為:

Iav=(Vm-ELL)/2Ra (A)

其中，Vm=δ·VDC是加在電動機線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，δ是調(diào)制波的占空比，Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩:

Tm=δ·(VDC·Kt/2Ra)-Kt·(Keω/2Ra)

Kt、Ke是電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)，ω為電動機的角速度(rad/s)，所以，在一定的ω時，改變占空比δ，就可以線性地改變電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵直流電動機電樞電壓控制相同的控制特性和機械特性。

永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值為+5V對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速:Vc(max)ón max，那么，+5V以下任何電平即對應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實現(xiàn)了變速設(shè)定。

當(dāng)Vc設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時，反饋電壓Vfb變小，調(diào)制波的占空比δ就會變大，電樞電流變大，使電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機的實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止;反之，如果電動機實際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時，δ減小，Tm減小，發(fā)生減速度，直至實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。可以說，永磁直流電機在允許的電網(wǎng)波動范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，并可以實現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運行。

由于永磁無刷直流電機的勵磁來源于永磁體，所以不象異步機那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流;由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機高10%左右，一般來說，永磁直流電機的力能指針(ηcosθ)比同容量三相異步電動機高12%-20%。

2. 由于永磁無刷直流電機是以自控式運行的，所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電動機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。

中小容量的永磁無刷直流電機的永磁體，多采用高磁能積的稀土釹鐵硼(Nd-Fe-B)材料。因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。

3. 電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是:接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護(hù)和顯示等等

主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調(diào)制波的對稱交變矩形波。

永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號:101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1-T4導(dǎo)通、T1-T6導(dǎo)通、T3-T6導(dǎo)通、T3-T2導(dǎo)通、T5-T2導(dǎo)通、T5-T4導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當(dāng)于60°電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進(jìn)60°電角度，如此循環(huán)，永磁直流電機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因為永磁直流電機的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。

近三十年來針對異步電動機變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的方法，而永磁直流電機的電流或電樞的端電壓，就是直接控制電動機轉(zhuǎn)矩的物理量。過去，由于稀土永磁體價格比較高等因素，限制了稀土永磁永磁直流電機的應(yīng)用領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其價格已迅速下降，例如，有一種BS系列永磁直流電機的售價已與異步電動機和普通變頻器售價之和相差無幾。稀土永磁永磁直流電機必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。