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电气设备通常具有至少一个电机,用于将物体从其初始位置旋转或移动。市场上有多种电机类型可供选择,包括感应电机、伺服电机、直流电机(有刷和无刷)等。根据应用要求,可以选择特定的电机。然而,当前的趋势是大多数新设计正在转向无刷直流电机,即俗称的 BLDC 电机。

本文将重点介绍 BLDC 电机设计的以下方面:

BLDC 电机的构造

BLDC 电机的操作

扭矩和效率要求

与感应和有刷直流电机的比较

BLDC 电机的选择标准

电机控制——速度、位置和扭矩,将在本文的第二部分中介绍。

建造BLDC 电机在结构和工作原理方面分别与交流感应电机和有刷直流电机有许多相似之处。与所有其他电机一样,BLDC 电机也有转子和定子。

定子

与感应交流电机类似,BLDC 电机定子由叠层钢制成,​​堆叠起来承载绕组。定子中的绕组可以有两种排列方式;即星形图案(Y)或三角形图案(Δ)。两种模式之间的主要区别在于,Y 模式在低转速时提供高扭矩,而 Δ 模式在低转速时提供低扭矩。这是因为在 Δ 配置中,一半的电压施加在未驱动的绕组上,从而增加了损耗,进而增加了效率和扭矩。

定子中的钢叠片可以是有槽的或无槽的,如图 2 所示。无槽铁芯具有较低的电感,因此它可以以非常高的速度运行。由于叠片组中没有齿,对齿槽转矩的要求也降低了,因此也使其成为低速的理想选择(当转子上的永磁体和定子上的齿相互对齐时,因为两者之间的相互作用,会产生不希望的齿槽转矩并导致速度波动)。无槽铁芯的主要缺点是成本较高,因为它需要更多绕组来补偿较大的气隙。

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正确选择用于构造定子的叠层钢和绕组对电机性能至关重要。选择不当可能会导致生产过程中出现多个问题,从而导致市场延迟和设计成本增加。

转子

典型 BLDC 电机的转子由永磁体制成。根据应用要求,转子中的极数可能会有所不同。增加极数确实会提供更好的扭矩,但代价是降低最大可能速度。

另一个影响最大扭矩的转子参数是用于制造永磁体的材料。材料的磁通密度越高,扭矩就越高。

工作原理及操作

BLDC 电机工作的基本原理与有刷直流电机相同;即内部轴位置反馈。在有刷直流电机的情况下,使用机械换向器和电刷实现反馈。借助内置 BLDC 电机,可使用多个反馈传感器来实现。最常用的传感器是霍尔传感器和光学编码器。注意:霍尔传感器根据霍尔效应原理工作,即当载流导体暴露在磁场中时,电荷载流子会受到基于导体两侧产生的电压的力。

如果磁场方向反转,产生的电压也会反转。对于 BLDC 电机中使用的霍尔效应传感器,每当转子磁极(N 或 S)经过霍尔传感器附近时,它们都会产生一个高或低电平信号,该信号可用于确定轴的位置。

在换向系统中——基于使用反馈传感器识别的电机位置的换向系统——三个电气绕组中的两个一次通电,如图 4 所示。

在图 4 (A) 中,标记为“001”的绿色绕组通电为北极,标记为“010”的蓝色绕组通电为南极。由于这种激励,转子的南极与绿色绕组对齐,而北极与标记为“100”的红色绕组对齐。为了移动转子,“红色”和“蓝色”绕组沿图 4(B) 所示的方向通电。这导致红色绕组成为北极而蓝色绕组成为南极。由于排斥力(红色绕组 – 北 – 北对齐)和吸引力(蓝色绕组 – 北 – 南对齐)的发展,定子中磁场的这种移动会产生扭矩,从而使转子沿顺时针方向移动。

 

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当转子开始移动时,该扭矩达到最大值,但随着两个磁场相互对齐,扭矩会减小。因此,为了保持扭矩或建立旋转,定子产生的磁场应该不断切换。为了赶上定子产生的磁场,转子将继续旋转。由于定子和转子的磁场都以相同的频率旋转,因此它们属于同步电动机的范畴。

定子的这种切换以建立旋转称为换向。对于三相绕组,换相有 6 个步骤;即,6 种独特的组合,其中电机绕组将通电。

本文第二部分将讨论用于实现 BLDC 电机的驱动电路和波形。

扭矩和效率

对于电动机的研究,扭矩是一个非常重要的术语。根据定义,扭矩是力使物体绕其轴旋转的趋势。

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因此,为了增加扭矩,要么必须增加力——这需要更强的磁铁或更大的电流——要么必须增加距离——这需要更大的磁铁。效率对于电机设计至关重要,因为它决定了消耗的电量。效率更高的电机也将需要更少的材料来产生所需的扭矩。

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在哪里,

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了解了上面提供的方程式后,了解速度与扭矩曲线变得很重要。

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以下是图 5 所示图表的要点:

随着速度的增加,扭矩减小(考虑到输入功率是恒定的)。

当速度为“空载”速度的一半且扭矩为失速扭矩的一半时,可以提供最大功率。

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应用

单速- 对于单速应用,感应电机更适合,但如果必须随着负载的变化保持速度,那么由于 BLDC 电机的速度-转矩曲线平坦,BLDC 电机非常适合此类应用程序。

可调速- BLDC 电机更适合此类应用,因为变速感应电机还需要额外的控制器,从而增加系统成本。由于定期维护,有刷直流电机也将成为更昂贵的解决方案。

位置控制– 不需要像电磁炉这样的应用程序进行精确控制,而且维护成本低;BLDC 电机在这里也是赢家。然而,对于此类应用,BLDC 电机使用光学编码器,并且需要复杂的控制器来监控扭矩、速度和位置。

低噪声应用——有刷直流电机以产生更多 EMI 噪声而闻名,因此 BLDC 更适合,但对 BLDC 电机的控制要求也会产生 EMI 和可听噪声。然而,这可以通过使用磁场定向控制 (FOC) 正弦 BLDC 电机控制来解决。

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