无刷直流(BLDC)电机的构造原理及电源控制方案

Big-bit半导体器件应用网无刷直流（BLDC）电机的构造原理及电源控制方案【大比特导读】无刷直流(BrushlessDirectCurrent，BLDC)电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。引言无刷直流(BrushlessDirectCurrent，BLDC)电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。正如名称指出的那样，BLDC电机不用电刷来换向，而是使用电子换向。BLDC电机和有刷直流电机以及感应电机相比，有许多优点。其中包括：•更好的转速-转矩特性•快速动态响应•高效率•使用寿命长•运转无噪音•较高的转速范围此外，由于输出转矩与电机体积之比更高，使之在需要着重考虑空间与重量因素的应用中，大有用武之地。在本应用笔记中，我们将详细讨论BLDC电机的构造、工作原理、特性和典型应用。描述BLDC电机时常用术语的词汇表，请参见附录B：“词汇表”。构造和工作原理BLDC电机是同步电机中的一种。也就是说，定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。BLDC电机不会遇到感应电机中常见的“差频”问题。BLDC电机可配置为单相、两相和三相。定子绕组的数量与其类型对应。三相电机最受欢迎，使用最普遍。本应用笔记主要讨论三相电机。BLDC电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中(如图3所示)。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组。这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕组，以构成均均匀分布的磁极。Big-bit半导体器件应用网No.2有两种类型的定子绕组：梯形和正弦电机。以定子绕组中线圈的互连方式为依据来区分这两种电机，不同的连接方式会产生不同类型的反电动势(ElectromotiveForce，EMF)。更多信息，请参见“反电动势的定义”。正如它们的名称所示，梯形电机具有梯形的反电动势，正弦电机具有正弦形式的反电动势，如图1和图2所示。除了反电动势外，两类电机中的相电流也有梯形和正弦之分。这就使正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑。但是，随之会带来额外的成本，这是因为正弦电机中线圈在定子圆周上的分布形式会使绕组之间有额外的互连，从而增加了耗铜量。根据控制电源的输出能力，选择定子的额定电压合适的电机。48伏或更低额定电压的电机适用于汽车、机器人和小型机械臂运动等应用。100伏或更高额定电压的电机适用于家用电器、自动化和工业应用。Big-bit半导体器件应用网No.3转子转子用永磁体制成，可有2到8对磁极，南磁极和北磁极交替排列。要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性材料。传统使用铁氧体来制造永磁体。随着技术的进步，稀土合金磁体正越来越受欢迎。铁氧体比较便宜，但缺点是给定体积的磁通密度低。相比之下，合金材料单位体积的磁场密度高，生成相同转矩所需的体积小。同时，这些合金磁体能改善体积与重量之比，比使用铁氧体磁芯的同体积电机产生的转矩更大。稀土合金磁体有钕(Nd)、钐钴(SmCo)以及钕铁硼铁氧体合金(NdFeB)等。进一步提高磁通密度，缩小转子体积的研究仍在持续进行中。图4展示了转子中不同磁体排列的横截面。Big-bit半导体器件应用网No.4霍尔传感器和有刷直流电机不同，BLDC电机的换向是以电子方式控制的。要使BLDC电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序。注：霍尔效应原理：磁场会对位于其中的带电导体内运动的电荷载流子施加一个垂直于其运动方向的力，该力会使正负电荷分别积聚到导体的两侧。这在薄而平的导体中尤为明显。电荷在导体两侧的积累会平衡磁场的影响，在导体两侧建立稳定的电势差。产生这一电势差的过程就叫做霍尔效应，由E.H.Hall在1879年发现。图5展示了BLDC电机的横截面，转子具有相互交替的南北永磁体磁极。霍尔传感器嵌入在电机的静止部分中。将霍尔传感器嵌入定子的过程很复杂，因为这些霍尔传感器相对转子磁体的位置稍有不对齐，都会在判断转子位置时造成错误。为了简化在定子上安装霍尔传感器的过程，有些电机可能除了主转子磁体外，还在转子上安装霍尔传感器磁体，它们的体积比转子磁体小。每当转子转动时，霍尔传感器磁体就会产生和主磁体一样的效果。霍尔传感器通常装在PCB电路板上，固定在非驱动端的外壳盖上。这使得用户可以整体调整所有的霍尔传感器，以便与转子磁体对齐，从而获得最佳性能。根据霍尔传感器的位置，有两种输出。霍尔传感器输出信号之间的相移可以是60度或120度。电机制造商据此定义控制电机时应遵循的换向顺序。工作原理Big-bit半导体器件应用网No.5每次换向，都有一个绕组连到控制电源的正极(电流进入绕组)，第二个绕组连到负极(电流从中流出)，第三个处于失电状态。转矩是由定子线圈产生的磁场和永磁体之间的相互作用产生的。理想状态下，转矩峰值出现在两个磁场正交时，而在两磁场平行时最弱。为了保持电机转动，由定子绕组产生的磁场应不断变换位置，因为转子会向着与定子磁场平行的方向旋转。“六步换向”定义了给绕组加电的顺序。