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直流無刷摩打

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永磁同步電機/直流無刷電機的工作原理

無刷直流摩打（英語：Brushless DC Motor）或稱直流無刷電機或BLDC電機，是沒有電刷和整流子的摩打，根據轉子永久磁鐵位置調整定子電流以產生轉矩。雖然是稱「直流」摩打，但實際上是一種使用三相電的永磁同步摩打（PMSM）。之所以被稱為「無刷直流電機」是因為在許多應用中該電機可以替換有刷直流電機。因此，BLDC電機也被稱為EC（電子換向）電機，以便與包含電刷的機械換向電機進行區分[1]。

BLDC電機利用電力電子技術（變頻器）輸入控制訊號到摩打，以切換直流電的開關和通過的線圈組，而得到力矩使轉子轉動。但這些控制信號，波形沒有限制。方波驅動的稱為BLDC，用於位置要求不是很高的場合；正弦波驅動的稱PMSM，用於伺服場合[2]。

發展

早在1917年Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流電機的機械電刷的想法。1955年，美國D. Harrison等人申請用電晶體換向線路代替有刷直流電機機械電刷的專利，標誌着現代無刷電機的誕生。[3]

結構

BLDC電機的星型連接

較簡單的結構是有一枚永久磁鐵及至少兩組（四個端子）線圈，兩組線圈輪流開關。永久磁鐵是轉子，線圈是定子。當磁鐵與線圈成一直線的時候，斷開該組線圈，啟動下一組線圈。[4]

定子

參見：定子

BLDC電機的定子與感應電機的定子相似，是由絕緣鑄鋼疊片組成，可以降低渦流的電流損失。多數BLDC電機都有三個星型連接的定子繞組，繞組置於沿內部圓周的軸向衝壓槽中。直徑小於40mm的電機會採用無齒槽設計：它的定子沒有鐵芯，鐵損大幅減少，因此能效等級更高。[5]

轉子

參見：轉子

轉子用永磁體製成，轉子裏是沒有線圈的。可有2到8對磁極，南磁極和北磁極交替排列。使用稀土合金磁體可以提高磁通密度，縮小轉子體積。永磁體在轉子上的安裝方式多種多樣：表貼式永磁（SPM）將永磁體裝在轉子鐵芯外圓表面，通常見於高功率密度電機；表面嵌入式永磁（SIPM）電機的永磁體放在轉子外表面的凹槽中，使得整個轉子為圓柱形，提高了機械強度，防止永磁體在高速旋轉時飛出；內置式永磁（IPM）轉子結構的機械結構可靠，但安裝工藝複雜，多用於高速電機。[6]

類型

BLDC電機有內轉子電機和外轉子電機兩種結構類型。內轉子電機的優勢在於轉子的轉動慣量低，散熱非常快，在大多數工業應用中廣泛使用。外轉子電機的定子位於內側，轉子包括一個能夠旋轉外殼，磁體安裝在外殼上，定子發熱線圈與環境隔絕，散熱相對較慢。由於轉子的轉動慣量轉矩很大且很難控制轉子外殼的平衡，所以外轉子電機不適用於旋轉速度很高的模式。但外轉子電機可以擁有更短的結構並通常具備更小的停轉轉矩，而由於在相同的磁力下，它的轉子直徑更大，因此其轉矩也更大。[7]

以定子繞組中線圈的互連方式分為梯形和正弦電機。採用集中整距繞組時，感應電動勢為梯形波，稱為永磁無刷直流電機（BLDC）；分佈繞組時，永磁轉子形成正弦磁場，稱為永磁同步電機（PMSM）。新型向量控制技術已對無刷直流電機使用正弦波控制，使得轉矩波動和低速性能均有較大改善。正弦電機輸出的轉矩比梯形電機平滑，但因為繞組之間有額外的互連，從而增加了耗銅量。永磁無刷直流電機（梯形波）的功率密度比永磁同步電機（正弦波）大15%[10]。

控制

參見：變頻器

在控制BLDC電機時，一般使用的是逆變器電路[11]，例如脈衝寬度調製（PWM），通過調整脈衝占空比（ON/OFF）改變電壓：若ON的比率較高，可以得到和提高電壓相同的效果；若ON的比率下降，則可以得到和電壓降低相同的效果。另外，BLDC電機的控制是配合着轉子（永磁體）的位置（角度）進行的。因此，電機控制還需要獲取轉子位置。[12]

霍爾傳感器

定子電流I、轉矩M與轉角α的關係
參見：霍爾傳感器

多數BLDC電機在其非驅動端上的定子中嵌入了三個霍爾傳感器（Hall sensor）。每當轉子磁極經過霍爾傳感器附近時，它們便會發出一個高電平或低電平信號，表示北磁極或南磁極正經過該傳感器。根據這三個霍爾傳感器信號的組合，就能決定換向的精確順序。每次換向，都有一個繞組連到控制電源的正極，第二個繞組連到負極，第三個處於失電狀態。六步換向定義了給繞組加電的順序。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉子的旋轉。[13]

BLDC的工作原理(三組線圈)塊換向組合
1 2 3 4 5 6
V1/V2(U) -1 0 +1 +1 0 -1
V3/V4(V) +1 +1 0 -1 -1 0
V5/V6(W) 0 -1 -1 0 +1 +1

從技術上來說，霍爾傳感器和塊換向組合是驅動BLDC電機的最簡單方法。這種技術的劣勢在於，由於切換過程不連續，在塊換向中，會產生以此為峰值的轉矩波動，其頻率為電機電動旋轉頻率的六倍。這會引發振動和噪音；低速下尤其如此，電機不會始終均勻地旋轉[14]。通電的理想形式是正弦換向，永磁同步摩打（PMSM）的每個繞組都由一個120°正弦波供電，從而產生強度恆定並持續旋轉的定子磁場。一般來說，對於精密控制合成磁通量的向量控制，轉角傳感器（Angle Sensor）或光電編碼器等高精度傳感器較為有效。[15]

位置檢測專用傳感器的種類及特徵[16]
電機類型 傳感器種類 主要用途 特徵
BLDC 霍爾效應傳感器 梯形波、120度通電控制 每60度獲取一次信號，價格較低，不耐熱。
PMSM 光電編碼器 正弦波控制、向量控制 解像度高，但抗震性、防塵能力較弱，成本較高。
轉角傳感器 正弦波控制、向量控制 解像度高，適用於惡劣環境。

無傳感器控制

BLDC電機可以通過監視反電動勢信號，而不是霍爾傳感器信號來換向。在既定電機磁通量和繞組數固定的情況下，反電動勢的幅度與電機的旋轉速度成正比。無傳感器控制簡化了電機結構（不需要附加繞組），節約了成本，但當電機處於靜止狀態時，無法獲得轉子位置，因而需要一種特殊的啟動方法。當電機在控制模式下運轉多個換向週期直到獲得一定速度後，無傳感器測量便能夠確定轉子位置。無傳感器控制的BLDC電機適合安裝在難以檢修的位置，或在多灰塵、多油的環境中運行，但不適合需要較低速度的應用，因為此時反電機勢很小而難以測量，會造成工作效率不高。[17]

無傳感器BLDC電機的控制系統由一個MCU控制晶片加上一個IGBT或MOSFET驅動器組成[18]，外設器件有三相PWM、ADC和用於過流保護的比較器。[19]

摩打純量控制和向量控制的比較[20]
控制參數 V/Hz控制 向量控制 無傳感器向量控制
速度調節 1% 0.001% 0.05%
轉矩調節 差 ±2% ±5%
電機模型 不要求 要求 要求精確的模型
MCU處理功率 低 高 高+DSP

特性

BLDC電機的轉矩在達到額定值之前都保持不變。電機可達最大轉速是額定轉速的150%，但從超過額定轉速起轉矩開始下降。

與傳統有刷式直流摩打相比，無刷式較為安全和可靠。碳刷長期使用有碳粉，高溫環境下，碳粉可能會爆炸。因此，需要定期清理，同時保養成本較高。但同樣的去除電刷需要使用電子技術，不是透過簡單改變電壓就能控制定子的轉動了。[21]

BLDC電機與感應電機比較[22]
特性 BLDC 交流感應電機
轉速/轉矩特性 特性曲線平坦，在負載額定的條件，可在所有轉速下正常工作。 特性曲線非線性，低轉速下轉矩也低。
輸出功率/體積 功率密度高，由於轉子採用永磁體，體積較小 功率密度中等，由於定子和轉子都有繞組，輸出功率與體積之比低於BLDC。
轉子慣性 慣性小，動態特性較佳 慣性大，動態特性較差
起動電流 額定值，無需專門的啟動電路。 大約是額定值的7倍，應謹慎選擇合適的啟動電路。通常使用星型-三角形啟動器。
控制要求 要保持電機運轉，始終需要控制器。還可使用這一控制器控制轉速。 固定轉速不需要控制器，只有需要改變轉速時才需要控制器。
差頻 定子和轉子磁場的頻率相等 轉子運行頻率低於定子磁場。差頻隨着電機負載的增大而增加。

應用

恆定負載

直流無刷管道風扇。印刷電路板上的兩個線圈與風扇組件中的六個圓形永磁體相互作用。

如風扇、泵、吹風機這類應用需要低成本控制器，多數運行在開迴路狀態。[23]

變化負載

家用電器中的洗衣機、乾衣機、壓縮機，汽車上的燃料泵、電子轉向、引擎控制，航空航天領域中的離心機、機械臂、陀螺儀控制等可能使用轉速反饋設備，運行在半閉環或全閉環狀態。這些應用使用高級控制算法，從而增加了控制器的複雜性，提高了整個系統的造價。[24]

定位應用

機械齒輪或定時傳送帶等應用中轉速和轉矩的動態響應很重要，並且可能需要頻繁切換轉向。可能需要有三個控制環同時工作：轉矩控制環、轉速控制環和位置控制環。[25]

參見

參考文獻

  1. ^ 直流无刷电机. Nanotec. [2021-12-04]. （原始內容存檔於2021-12-04）. 
  2. ^ 永磁无刷直流电机与永磁同步电机比较和分析. 翡葉動力. [2021-12-05]. （原始內容存檔於2021-12-05）. 
  3. ^ 无刷电机的发展历史. 恆驅電機. 2014-06-25 [2021-12-05]. （原始內容存檔於2021-05-10）. 
  4. ^ 关于无刷直流马达. Nidec. [2021-12-05]. （原始內容存檔於2021-12-05）. 
  5. ^ BLDC电机是什么？其原理及正确用法你知道吗？. 與非網. 2020-07-06 [2021-12-04]. （原始內容存檔於2021-12-04）. 
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  16. ^ Kevin Chow. 想搞BLDC电机控制，就必须要懂的角度传感器. Digi-Key Electronics. 2019-08-19 [2021-12-04]. （原始內容存檔於2021-12-04）. 
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