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什么是無刷電機(jī),和傳統(tǒng)電機(jī)對比有什么優(yōu)勢?

2022-12-30 11:38:05 歐鐠斯 212

直流無刷電機(jī)介紹:


電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法,同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體,為了檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性,在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成,其功能是:接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào),以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng);接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào),用來控制逆變橋各功率管的通斷,產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號(hào),用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護(hù)和顯示等等。

近三十年來針對異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的研究,歸根到底是在尋找控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法,稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。
無刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性,同時(shí)也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為BLDC。無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、低速轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好,所以值得業(yè)界關(guān)注。

無刷電機(jī)在我國的發(fā)展時(shí)間雖短,但是隨著技術(shù)的日益成熟與完善得到了迅猛發(fā)展。已在航模、醫(yī)療器械、家用電器、電動(dòng)車等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并在深圳、長沙、上海等地形成初具規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈。如深圳偉業(yè)電機(jī)、長沙科達(dá)等一批專業(yè)廠商,在技術(shù)上不斷推進(jìn)行業(yè)發(fā)展。近幾年來,無刷電機(jī)成為在模型領(lǐng)域里快速發(fā)展的一種動(dòng)力。由于產(chǎn)量和價(jià)格的原因,過去幾年無刷電機(jī)多使用在中高檔航空模型中,現(xiàn)在由于機(jī)械加工技術(shù)的快速發(fā)展,無刷電機(jī)的生產(chǎn)成本下降許多,目前它正進(jìn)入模型領(lǐng)域的各個(gè)層面,從電動(dòng)遙控車到電動(dòng)遙控船再到電動(dòng)模型飛機(jī),無處不在。


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工業(yè)原理:


無刷直流電動(dòng)機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的,即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動(dòng)化辦公設(shè)備中。
無刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化,沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流(即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置,并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào),經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路,按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。
位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。
采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī),其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)S眉呻娐返龋┭b在定子組件上,用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場變化。
采用光電式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī),在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉(zhuǎn)子上裝有遮光板,光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件將會(huì)按一定頻率間歇間生脈沖信號(hào)。

采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī),是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等),當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí),電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(hào)(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。


結(jié)構(gòu)解析:


結(jié)構(gòu)上,無刷電機(jī)和有刷電機(jī)有相似之處,也有轉(zhuǎn)子和定子,只不過和有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)相反;有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是線圈繞組,和動(dòng)力輸出軸相連,定子是永磁磁鋼;無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼,連同外殼一起和輸出軸相連,定子是繞組線圈,去掉了有刷電機(jī)用來交替變換電磁場的換向電刷,故稱之為無刷電機(jī)(Brushless motor),那現(xiàn)在就有問題了,沒有了電磁場的變換,如何讓無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)呢?

簡單而言,依靠改變輸入到無刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形,在繞組線圈周圍形成一個(gè)繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場,這個(gè)磁場驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)就轉(zhuǎn)起來了,電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān),更與無刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系,因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟?,電流需要電子調(diào)速器將其變成3相交流電,還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號(hào),控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足模型使用需要。 總的來說,無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)是比較簡單的,真正決定其使用性能的還是無刷電子調(diào)速器,好的電子調(diào)速器需要有單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、復(fù)雜加工工藝等過程的總體控制,所以價(jià)格要比有刷電機(jī)高出很多。


無刷電機(jī)和有刷電機(jī)對比優(yōu)勢:


無刷電機(jī)和有刷電機(jī)的對比如下所示:
有刷電機(jī)缺點(diǎn)
(1)摩擦大,損耗大
老模友們在以前玩有刷電機(jī)的時(shí)候都碰到這個(gè)問題,那就是使用電機(jī)一段時(shí)間以后,需要打開電機(jī)來清理電機(jī)的碳刷,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,維護(hù)強(qiáng)度不亞于來一次家庭大掃除。
(2)發(fā)熱大,壽命短
由于有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原因,電刷和換向器的接觸電阻很大,造成電機(jī)整體電阻較大,容易發(fā)熱,而永磁體是熱敏元件,如果溫度太高的話,磁鋼是會(huì)退磁的,使電機(jī)性能下降,影響有刷電機(jī)的壽命。
(3)效率低,輸出功率小
上面說到的有刷電機(jī)發(fā)熱問題,很大程度是因?yàn)殡娏髯龉υ陔姍C(jī)內(nèi)部電阻上了,所以電能有很大程度轉(zhuǎn)化為了熱能,所以有刷電機(jī)的輸出功率不大,效率也不高。 [2] 
無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)
(1)無電刷、低干擾
無刷電機(jī)去除了電刷,最直接的變化就是沒有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花,這樣就極大減少了電火花對遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。
(2)噪音低,運(yùn)轉(zhuǎn)順暢
無刷電機(jī)沒有了電刷,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力大大減小,運(yùn)行順暢,噪音會(huì)低許多,這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的支持。
(3)壽命長,低維護(hù)成本
少了電刷,無刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了,從機(jī)械角度看,無刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了,必要的時(shí)候,只需做一些除塵維護(hù)即可。上下一比較,就知道無刷電機(jī)相對于有刷電機(jī)的優(yōu)勢在哪里了,但是萬事都不是絕對的,有刷電機(jī)低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點(diǎn)是無刷電機(jī)不可替代的,不過就無刷電機(jī)的使用方便性來看,隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場競爭,無刷動(dòng)力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段,這也極大促進(jìn)了模型運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。
其他區(qū)別
(1)適用范圍:
無刷電機(jī):通常被使用在控制要求比較高,轉(zhuǎn)速比較高的設(shè)備上,如航模,精密儀器儀表等對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制嚴(yán)格,轉(zhuǎn)速達(dá)到很高的設(shè)備上。
碳刷電機(jī):通常動(dòng)力設(shè)備使用的都是有刷電機(jī),如吹風(fēng)機(jī)、工廠的電動(dòng)機(jī)、家用的抽油煙機(jī)等等,另外串激電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能達(dá)到很高,但是由于碳刷的磨損,使用壽命不如無刷電機(jī)。
(2)使用壽命:
無刷電機(jī):通常使用壽命在幾萬小時(shí)這個(gè)數(shù)量級,但是由于軸承的不同無刷電機(jī)使用壽命也有很大不同。
碳刷電機(jī):通常有刷電機(jī)的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個(gè)小時(shí),到達(dá)使用極限就需要更換碳刷,不然很容易造成軸承的磨損。
(3)使用效果:
無刷電機(jī):通常是數(shù)字變頻控制,可控性強(qiáng),從每分鐘幾轉(zhuǎn),到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實(shí)現(xiàn)。
碳刷電機(jī):舊碳刷電機(jī)一般啟動(dòng)以后工作轉(zhuǎn)速恒定,調(diào)速不是很容易,串激電機(jī)也能達(dá)到20000轉(zhuǎn)/分,但是使用壽命會(huì)比較短。
(4)節(jié)能方面:
相對而言,無刷電機(jī)采用變頻技術(shù)控制的會(huì)比串激電機(jī)節(jié)能很多,最典型的就是變頻空調(diào)和冰箱。
(5)日后維修方面:
碳刷電機(jī)需要更換碳刷,如果更換不及時(shí)會(huì)造成電機(jī)的損壞,而無刷電機(jī),使用壽命很長,通常是有刷電機(jī)的10倍以上,但是壞了就需要更換電機(jī),但日常維護(hù)基本不需要。
(6)噪音方面與是否是有刷電機(jī)無關(guān),主要是看軸承和電機(jī)內(nèi)部組件的配合情況。
(7)模型無刷電機(jī)的參數(shù)指標(biāo),除了外形尺寸(外徑、長度、軸徑等)、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外,還少不了一個(gè)重要指標(biāo)KV值,這個(gè)數(shù)值是無刷電機(jī)獨(dú)有的一個(gè)性能參數(shù),是判斷無刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。


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