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        無刷直流電機的特點特性、選用選型及其應用
        發布日期:2017-07-31
        無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品。 無刷電機是指無電刷和換向器(或集電環)的電機,又稱無換向器電機。早在十九紀誕生電機的時候,產生的實用性電機就是無刷形式,即交流鼠籠式異步電動機,這種電動機得到了廣泛的應用。但是,異步電動機有許多無法克服的缺陷,以致電機技術發展緩慢。上世紀中葉誕生了晶體管,因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機就應運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機,它克服了第一代無刷電機的缺陷。


          無刷直流電機的特點特性、選用選型及其應用


          無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品。 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。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體 ,為了檢測電動機轉子的極性,在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成,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信號,用來控制逆變橋各功率管的通斷,產生連續轉矩;接受速度指令和速度反饋信號,用來控制和調整轉速;提供保護和顯示等等。


          直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能,但直流電機的優點也正是它的缺點,因為直流電機要產生額定負載下恒定轉矩的性能,則電樞磁場與轉子磁場須恒維持90°,這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉動時會產生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外,使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子,免維護、堅固、應用廣,但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術才能達到?,F今半導體發展迅速功率組件切換頻率加快許多,提升驅動電機的性能。微處理機速度亦越來越快,可實現將交流電機控制置于一旋轉的兩軸直角坐標系統中,適當控制交流電機在兩軸電流分量,達到類似直流電機控制并有與直流電機相當的性能。


          此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中,而且體積越來越??;像模擬/數字轉換器(analog-to-digital converter,adc)、脈沖寬度調制(pulse wide modulator,pwm)…等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相,得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構上缺失的一種應用。


          無刷直流電機的特點特性、選用選型及其應用


          無刷直流電機的特點特性


          1、可替代直流電機調速、變頻器+變頻電機調速、異步電機+減速機調速;


          2、具有傳統直流電機的優點,同時又取消了碳刷、滑環結構;


          3、可以低速大功率運行,可以省去減速機直接驅動大的負載;


          4、體積小、重量輕、出力大;


          5、轉矩特性優異,中、低速轉矩性能好,啟動轉矩大,啟動電流??;


          6、無級調速,調速范圍廣,過載能力強;


          7、軟啟軟停、制動特性好,可省去原有的機械制動或電磁制動裝置;


          8、效率高,電機本身沒有勵磁損耗和碳刷損耗,消除了多級減速耗,綜合節電率可達20%~60%。


          9、可靠性高,穩定性好,適應性強,維修與保養簡單;


          10、耐顛簸震動,噪音低,震動小,運轉平滑,壽命長;


          11、不產生火花,特別適合爆炸性場所,有防爆型;


          12、根據需要可選梯形波磁場電機和正弦波磁場電機。


          無刷直流電機的特點特性、選用選型及其應用


          無刷直流電機的選用


          為實際應用選擇合適的電機是至關重要的。根據電機的負載特性,需要確定合適的電機參數。其主要參數有以下幾點:


         ?。?)應用是的最大扭矩要求;


         ?。?)平方根(RMS)扭矩需求;


         ?。?)轉速要求。


          1、最大扭矩


          最大的扭矩可以通過將負載扭矩、轉動慣量和摩擦力相加得到。另外,還有一些額外的因素影響最大需求扭矩如:氣隙空氣的阻力等,這就需要至少20%的扭矩余量,綜上所述,有以下等式:


          TP = (TL TJ TF) * 1.2


          TJ為電機啟動或加速過程需要克服的轉動力矩,其主要包括電機轉子的轉動力矩和負載的轉動力矩,其表示為:


          TJ = JL M * α


          上式中α為加速度,JL M為定子和負載的轉動力矩。 電機的機械軸決定電機的負載力矩和摩擦力。


          2、平方根扭矩


          可以近似的認為平方根扭矩為實際應用中需要的持續輸出扭矩。它由很多因素決定:最大扭矩、負載扭矩、轉動慣量、加速、減速以及運行時間。下面的等式表示了平方根扭矩的計算,其中TA為加速時間、TD為減速時間和TR為運行時間。


          TRMS = √ [{TP2 TA (TL TF)2TR (TJ – TL – TF)2 TD}/(TA TR TD)]


          3、轉速


          這是有應用需求的轉速。比如,吹風機的轉速需求是,最高轉速和平均轉速相差不大,顯然在一些點對點定位系統如傳送帶和機械臂系統中就需要大轉速范圍的電機,可以根據電機的轉速梯形曲線()確定電機的轉速需求。通常,由于其他因素,在計算電機轉速需求的時候需要留有10%余量。


          無刷直流電機的特點特性、選用選型及其應用


          無刷直流電機的應用


          BLDC的應用十分廣泛,如汽車、工具、工業工控、自動化以及航空航天等等??偟膩碚f,BLDC可以分為以下三種主要用途:


         ?。?)持續負載應用


         ?。?)可變負載應用


         ?。?)定位應用


          1、持續負載應用


          這種應用主要用于那些需要一定轉速但是對轉速精度要求不高的領域,比如風扇、抽水機、吹風氣等一類的應用。通常這類應用成本比較低且多是開環控制。


          2、可變負載應用


          這類主要指的是電機轉速需要在某個范圍內變化的應用,在這類應用中主要對電機的高轉速特性和動態響應特性有更高的要求。家用器具中的洗衣機、甩干機和壓縮機就是很好的例子。在汽車工業領域,油泵控制、電控制器、發動機控制和電子工具等也是很好的例子。在航空領域也有很多的應用,比如離心機、泵、機械臂、陀螺儀等等。這個領域中多使用電機反饋器件組成半開環和閉環進行控制。這就需要復雜的控制算法,增加了控制器的復雜程度也增加了系統成本。


          3、定位應用


          大多數的工業控制和自動控制方面的應用屬于這個類別。在這些應用中往往會完成能量的輸送,如齒輪或者傳送帶,因此系統對電機的轉速的動態響應和轉矩有特別的要求,同時這些應用也可能需要隨時的改變電機的轉向,電機可能工作在勻速,加速,減少階段,而且有可能在這些階段中負載也在變化,所以這對控制器提出了更高的要求,通常這種控制使用閉環控制,甚至會有扭矩環、速度環和位置環三個控制環。測速時可能會用上光電編碼器和一些同步設備。有時候這些傳感器會被用于測量相對位置,也有時候用于測量絕對位置。過程控制、機械控制和運輸控制很多都屬于這類應用。
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