原作者:timegate 墨鸢 QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com
本帖完全复制于网络,内容很好的说明了无刷电机的工作原理,非常值得收藏。感谢原作者墨鸢无私奉献。
1 无刷直流电机基础知识
关于无刷直流电机驱动的基本原理,很多教材和文档都已经讲得很清楚了,特别是坛上网友提供的:《无刷直流(BLDC)电机基础》(MicroChip公司,编号AN885)、《Brushless DC Motors Made Easy》(Freescale公司,编号PZ104)和Atmel公司的编号为:AVR194、AVR491、AVR492的几篇文档,都写的很不错,深入浅出,很适合入门的初学者学习。稍后我会给出它们的下载连接(见附录一)。
不过一上来就让读者自己去看文档,貌似不太厚道,那我这里还是幸苦一下,把各篇文档的精华部分抽取出来,重新组织一下,给大家一个关于无刷电机的比较概要的认识。
1.1三个基本定则
首先要搞清楚一件基本的事情:我们只是来搞电调的,而不是去设计电机的。所以不要被一些无刷电机教材一上来那些林林总总的关于什么磁路、磁导率、气隙饱和、去磁曲线等基础知识给吓倒,那些东西是给设计电机的人看的,对我们这种仅仅以弄出一个电调为目标的人来讲,意义不大。
1.1.1左手定则
位于磁场中的载流导体,会受到力的作用,力的方向可按左手定则确定,如图1-1所示:伸开左手,使大拇指和其余四指垂直,把手心面向N极,四指顺着电流的方向,那么大拇指所指方向就是载流导体在磁场中的受力方向。
力的大小为:F=BILsinθ
其中:B为磁感应强度(单位T),I为电流大小(单位A),L为导体有效长度(单位m),F为力的大小(单位N),θ为:B和I的夹角。
1.1.2 右手定则(安培定则一)
在磁场中运动的导体因切割磁力线就会感生出电动势E,见图1-2
其大小为:E=vBLsinθ
其中:v为导体的运动速度(单位m/s),B为磁感应强度(单位T),L为导体长度(单位m),θ为:B和L的夹角。
1.1.3右手螺旋定则(安培定则二)
用右手握住通电螺线管,使四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。
1.2内转子无刷直流单机的工作原理
一般的教材或文档,介绍的多半是内转子无刷电机的工作原理。按理说,资料已经这么多了,学习起来不应该又什么困难,其实不然。以笔者亲身经历,无刷电机的资料看得多了,反而会产生困惑。究其原因,是因为它们分别采用了两种不同的方法进行描述,同样是比较简单的三相二级无刷电机,这两种描述方法所采用的绕组结构其实是不太一样的。
1.2.1磁回路分析法
在MicroChip,Freescale和Atmel三家的文档中,都不约而同地采用了这种方法来说明无刷电机的工作原理,其原理说明见图1-4:
在图1-4中,当两头的线圈通上电流时,根据右手螺旋定则,会产生方向指向右的外加磁感应强度B(如粗箭头方向所示),而中间的转子会尽量使用自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致,以形成一个最短闭合磁力线回路,这样内转子就会按顺时针方向旋转了。
顺便提一句,有网友曾经提到说不太理解这句话的含义:“当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时,转子所受的转动力矩最大”。注意这里说的是“力矩”最大,而不是“力”最大。诚然,在转子磁场与外部磁场方向一致时,转子所受磁力最大,但此时转子呈水平状态,力臂为0,当然也就不会转动了。
当转子转到水平位置时,虽然不再受到转动力矩的作用,但由于惯性原因,还会继续顺时针转动,这时若改变两头螺线管的电流方向,如图1-5所示,转子就会继续顺时针向前转动。
如此不断改变两头螺线管的电流方向,内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作,就叫做换相(commutation)。注意:何时换相只与转子的位置有关,与转速无关。这一点是初学者比较容易混淆的概念,应当注意。
以上是最简单的两相两极无刷电机的工作原理,仅仅用来说明概念用,下面我们来看比较普遍的三相两级无刷电机的构造。
1.2.2三相两极内转子电机结构
一般来说,定子的三相绕组有星型连接方式和三角形连接方式,而“三相星形连接的二二导通方式”最为常用,故这里只对这种情况作详细分析。
图1-6显示了定子绕组的连接方式(转子未画出),三个绕组通过中心的连接点以“Y”
型的方式连接在一起。整个电机就引出三根线A,B,C。当它们之间两两通电时,有6种情况,分别是AB,AC,BC,BA,CA,CB,图1-7(a-f)分别描述了这6种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度的方向(红、蓝色表示)和两个线圈的合成磁感应强度方向(绿色表示)。
在图(a)中,AB相通电,中间的转子(图中未画出)会尽量往绿色箭头方向对齐,当转子到达图(a)中绿色箭头位置时,外线圈换相,改成AC相通电,这时转子会继续运动,并尽量往图(b)中的绿色箭头处对齐,当转子到达图(b)中箭头位置时,外线圈再次换相,改成BC相通电,再往后以此类推。当外线圈完成6次换相后,内转子整好旋转一周。再次重申一下:何时换相只与转子位置有关,而与转速无关。
图1-8中画出了换相前和换相后合成磁场方向的比较与转子位置的变化。一般来说,换相时,转子应该处于,比与新的合成磁力线方向垂直的位置不到一点的钝角位置,这样可以使产生最大的转矩的垂直位置整好处于本次通电的中间时刻。
1.2.3三相多绕组多极内转子电机结构
搞清楚了最简单的三相三绕组二极电机,我们再来看一个复杂点的,图1-9(a)是一个三相九绕组六级(三对极)内转子电机,它的绕组连接方式见图1-9(b)。从图(b)可见,其三相绕组也是在中间点连接在一起的,属于星形连接方式。一般而言,电机绕组数量都和永磁极的数量不一致,这样时为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸而对齐,产生类似步进电机的效果,此种情况下转矩会产生很大波动。
其二二导通时的6种通电情况读者可自行分析,原则是转子的N极与通电绕组的S极有对齐的运动趋势,而转子的S极与通电绕组的N极有对齐的运动趋势。为便于读者理解,图1-10给出了一个对齐的运动趋势图例。
1.3外转子无刷直流电机的工作原理
看完了内转子无刷直流电机的结构,我们来看外转子的。其区别就在于,外转子电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片,贴到了外壳上,单机运行时,是整个外壳在转,中间的线圈定子不动。外转子无刷直流电机较内转子来说,转子的转动惯量要大很多,所以转速较内转子电机慢,通常KV值在几百到几千之间,用在航模上可以直接驱动螺旋桨,省去了机械减速机构。
噢,这里顺便解释一下KV值的含义,无刷电机KV值定义为:转速/V,意思为输入电压每增加1伏特,无刷电机空转转速增加的转速值。比如说,标称值为1000KV的外转子无刷电机,在11伏特电压条件下,最大空载转速为:11X1000=11000rpm(rpm的含义是:转/分钟)。
同系列同外形尺寸的无刷电机,根据绕线匝数的多少,会表现出不同的KV特性。绕线匝数多的KV值低,最高输出电流小,扭力大;绕线匝数少的,KV值高,最高输出电流大,扭力小。
1.3.1一般外转子无刷直流电机结构
下面是一些常见的外转子无刷电机的结构:
其分析方法也和内转子电机类似。
1.3.2新西达2212外转子电机结构
新西达KV值为1000的XXD2212电机。其结构为12绕组14极,见图1-12.其结构如下:定子绕组固定在底座上,转轴和外壳固定在一起形成转子,插入定子中间的轴承。图1-14画出了XXD2212电机的绕组绕法。
图1-15详细画出了6种两相通电的情形,可以看出,尽管绕组和磁极的数量可以有许多种变化,但从电调控制的角度看,其通电次序其实是相同的,也就是说,不管外转子还是内转子电机,都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的顺序进行通电换相。当然,如果你想让电机反转的话,可以按倒过来的次序通电。由于每根引出线同时接入两个绕组,所以电流是分两路走的。为使问题尽量简化,下面几个图中只画出了主要一路的电流方向,还有一路电流未画出,另一路电流的具体情况放到1.5小节再作详细分析。
1.4无刷直流电机转矩的理论分析
我们再回到最简单的三相二极内转子电机。以上的磁回路分析方法对于一般的感性认识来讲是足够了,但如果你翻阅的无刷电机教材多的话,会发现,几乎没有那本教材是采用上面这种结构来说明无刷电机工作原理的,这些教材中用的都是类似图1-17所示的结构来研究无刷电机的。究其原因,是因为上两小节示例的那种电机绕组结构,从严格上来说,并不是传统的经典的工业用无刷直流电机的结构,而是属于一种叫做“开关磁阻电机”(switched Reluctance Motor)结构的变种(原始的开关磁阻电机的转子上是没有永磁体的)。由于它的控制方式很类似于无刷直流电机的6步二二导体控制方式,所以直接把它当无刷直流电机来用也没问题。真正的工业用无刷直流电机的定子绕组实物图见图1-18.顺便说一句,笔者遍查还施水阁中关于无刷电机的典藏古今中外约十来本,愣是没找到专门分析上两节那种电机结构和原理的著作,甚憾。如果哪位高人知道有相关文献,还请指点一二,不胜感激。
1.4.1传统无刷电机绕组结构
其线圈形状见图1-16,线圈包围整个转子。电机三相绕组示意图1-17。
图1-17中为简略示意起见,每相只画出了一个线圈,其实毎相应该有N匝线圈。其绕组连接方式为:A’、B’、C’端通过星形连接在一起,A、B、C为电机三根引出线。其实物外形见图1-18.
1.4.2转子磁场的分布情况
绕组形式变成这个样子后,就可以用“左手定则”来分析啦。不过在此之前,还要搞清楚一件事情,就是在这种绕组结构下,磁感应强度B的分布情况。
“目前,国内外对无刷直流电机(Brushless DC motor,BLDCM)定义一般有两种:一种定义认为只有梯形方波/方波无刷直流电机才可以被成为无刷直流电机,而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM);另一种定义则认为都是无刷直流电机。迄今为止,还没有一个公认的统一标准。”
好了,现在来解释一下上面说的“梯形波/方波”是什么意思。图1-19展示了内转子磁极的磁感应强度B的分布情况。我们预定义磁感应强度方向向外为正,从图中可以看出,在0°的时候,处于正反方向交界处,磁感应强度为0,然后开始线性增加,在A点时达到最大,然后一直保持恒定值不变,直到B点开始下降,到180°的时候下降到0.然后开始负向增长,在C点处达到负值最大,然后保持恒定值不变,知道D点强度开始减弱,到0°时又回到零。至于A点到底在几度的位置,不同的电机不一样。如果A非常接近0°的位置,上升和下降直线就会非常陡峭,“梯形波”就变成了“方波”。根据右手定则E=BLV的公式,在均速转动下,各绕组产生的反电动势波形也呈梯形波/方波。
与此类似,上文提到的另一种“正弦波”电机就是一种磁感应强度呈正弦波图形分布的直流无刷电机,也叫永磁同步电机。这种电机的绕组结构和我们的梯形波电机绕组结构不太相同,进而驱动方式也不太相同。需要用到矢量分析法,由于本文只关注于梯形波的无刷直流电机,故对这种正弦波电机不展开讨论。
1.4.3转子受力分析
同样,我们仿照前面的做法,画出6种通电方式情形下,转子的受力情况,这里用“左手定则”作一个定性分析。至于定量计算,我们放到第三章“启动算法”小节中讨论。
在下面的图1-20中,除了画出6种通电情形外,还画出了6个中间过程,这是为了更清楚低说明问题,同时也与下一节将要讨论的换相内容作一个衔接。
在图1-20(a)中,AB相通电,电流处于转子产生的磁场内,根据左手定则,我们判断线圈AA’中的上半部导线A受到一个顺时针方向的电磁力,而AA’的下半部导线A’也受到一个顺时针方向的电磁力。由于线圈绕组在定子上,定子是固定不动的,故根据作用力与反作用力,定子绕组AA’会施加给转子一个逆时针方向的反作用力,转子在这个力的作用下,就转起来了。同理,与AA’的情况类似,BB’也会对转子产生一个逆时针的反作用力。
当转子逆时针转过60°后,到达图1-20(b)的位置,这时线圈BB’已经到达转子磁极的边缘位置了,再转下去就要产生反方向的力了,所以这时就要换相,换成AC相通电,见图1-20(c)。这样,每过60°换相通电,转子就可以一直转下去了。
1.4.4一种近似分析模型
刚才的讨论全部都基于一个假设,就是转子磁场的磁力线是垂直穿过绕组的导线。但事实上,磁力线总是倾向与沿磁阻最小的路径前进,其实并不穿过导线,见下图。
如果要分析这种情况下转子的受力情况,要用到复杂的磁链路分析理论。不过,事实上不用这么麻烦,实验证明,用高深的磁链路分析方法所得到的结果,和我们上面假设磁力线穿过导线的分析方法所得到的结果,基本吻合。这句话可不是我说的,这是一本名为《Industral Brushless Servomotors》的书中提到的结论。也就是说,我们现在可以放心地用左手定则和右手定则去对绕组作近似分析了。顺便提一句,这本书写的不错,篇幅也不大,就180多页,想更全面研究无刷电机的朋友可以看看。
好,有了这柄利器在手,再来看看我们能对1.3节的那种绕组结构做些什么简化和假设。毕竟,现在我们做四轴用的到多数电机都是以那种结构绕的。仍以新西达2212电机为例,为了方便说明问题,每个绕组的N匝线圈现在都简化成了一个,而且我们对所有绕组和磁极都做了一个编号,见图1-22。
AB相通电时,A1-1导线处在N极下,根据左手定则,受到一个顺时针方向的作用力,即同时施加给转子一个逆时针方向的反作用力。同时,A1-2导线处于S极下,但电流方向与A1-1相反,所以还是会施加给转子一个你时针方向的作用力。于此类似,A2-1,A2-2,B3-1,B3-2,B4-1,B4-2都会如此,读者可以自行分析。至于其换相和反电动势的情况,将放在下一小节详细分析。
(待续)