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【干貨】永磁無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

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關(guān)鍵詞:永磁無刷直流電機(jī),驅(qū)動(dòng)電機(jī),電動(dòng)汽車

      伴隨著電子控制技術(shù)和永磁材料技術(shù)的迅速發(fā)展,永磁無刷直流電機(jī)逐漸發(fā)展成熟。由于它作為在電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用時(shí),能較好地滿足電動(dòng)車的各種性能要求,價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯,所以很快成為了理想的電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如圖1所示為電動(dòng)車上常用的永磁無刷直流電機(jī),圖2所示為永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車。

    永磁無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

      1 基本結(jié)構(gòu)

      在傳統(tǒng)直流電機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的永磁無刷直流電機(jī),在結(jié)構(gòu)上兩者基本一致,不同的是永磁無刷直流電機(jī)的電樞繞組置于定子上,這點(diǎn)類似于交流電機(jī)的繞組,同時(shí)一般采用多相的形式,其中目前情況下三相應(yīng)用的最多;其轉(zhuǎn)子為永磁體,并且采用電子換向,定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)之間的相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。永磁無刷直流電機(jī)根據(jù)永磁體的形狀和磁路結(jié)構(gòu)的不同,其氣隙磁場(chǎng)波形有方波、梯形波、正弦波三種,反電勢(shì)的波形對(duì)應(yīng)相同。通常,反電勢(shì)是正弦波的電機(jī)稱為永磁同步電機(jī),如圖3所示;波形為其他兩種類型的則稱為永磁無刷直流電機(jī),如圖4所示。

    永磁無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

    圖3PMSM定子繞組產(chǎn)生的正弦反電勢(shì)

    永磁無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

    圖4PMBLDCM定子繞組產(chǎn)生的梯形反電勢(shì)

      永磁無刷直流電機(jī)的組成如圖5所示。由此可見,它主要有三部分組成。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有凸極式和內(nèi)嵌式兩種,且由永磁材料制成。定子上的電樞與永磁有刷直流電機(jī)相反,所以它具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞。

    永磁無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

    圖5永磁無刷直流電機(jī)組成

      電子開關(guān)電路中的功率管等可與電機(jī)電樞繞組直接相連接,再加上位置傳感器,其功能就相當(dāng)于有刷電機(jī)中的機(jī)械換向裝置。永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

    永磁無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

    圖6永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

      永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。從圖中可以看出,經(jīng)過開關(guān)電路直流電源向定子繞組進(jìn)行供電,控制系統(tǒng)對(duì)位置傳感器信號(hào)進(jìn)行處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電路的控制,正確地判斷各電機(jī)繞組的通電和斷電狀況,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向。

    永磁無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

    圖7永磁無刷直流電機(jī)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖

      2 工作原理

      為了更好的闡述永磁無刷直流電機(jī)的工作原理,對(duì)電動(dòng)車用三相星型連接形全橋驅(qū)動(dòng)的永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行分析,研究其正反轉(zhuǎn)的工作狀況。電機(jī)控制系統(tǒng)的主電路如圖8所示。

    永磁無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

    圖8永磁無刷直流電機(jī)的全橋驅(qū)動(dòng)電路圖

    永磁無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

    圖9永磁無刷直流電機(jī)工作原理示意圖

      當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子處于圖9(a)中所示位置時(shí),來自位置傳感器信號(hào)通過控制系統(tǒng)進(jìn)行邏輯變換后輸出控制信號(hào)使電機(jī)的A、B兩相繞組導(dǎo)通,電流從A相流進(jìn)去,B相流出來,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使電機(jī)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng);以60°電角度為基準(zhǔn)以此類推,易知電機(jī)轉(zhuǎn)子到達(dá)圖9(b)中所示位置時(shí)電機(jī)繞組的導(dǎo)通情況。當(dāng)繞組導(dǎo)通相的順序?yàn)锳B—AC—BC—BA—CA—CB—AB時(shí),電機(jī)往順時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn)。同理,當(dāng)在圖9(a)所示的位置時(shí),若電流是經(jīng)過B、C兩相,則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)使電機(jī)向反向轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)電機(jī)電樞繞組導(dǎo)通順序?yàn)锽C—AC—AB—CB—CA—BA—BC時(shí),電機(jī)就會(huì)朝逆時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)。所以,要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的順時(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),只需改變電機(jī)導(dǎo)通的邏輯順序即可。

    永磁無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

    圖10永磁無刷直流電機(jī)相電流與反電勢(shì)波形圖

      由此上述分析可知,電機(jī)在正常的運(yùn)行的任意情況下只有兩相導(dǎo)通,每個(gè)循環(huán)分成六步。每相繞組中電流導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)為和每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通角均為120°電角度,且每相導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)相差120°電角度,故稱為二二導(dǎo)通方式。永磁無刷直流電機(jī)的相電流和反電勢(shì)波形如圖10所示,相電流為方波,反電勢(shì)均為梯形波,若方波電流和反電勢(shì)同相時(shí),可以獲得與電流大小成正比的恒定電磁轉(zhuǎn)矩;反相時(shí),則將產(chǎn)生相應(yīng)的反向電磁轉(zhuǎn)矩。

    (審核編輯: 滄海一土)

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