无刷直流电动机简介

在本教程中，我们将学习无刷电机也称为无刷直流电机或无刷直流电机。我们将看到什么是无刷直流电机，它的工作原理，如何正确驱动无刷直流电机，也很少的应用。

介绍

无刷直流电动机或无刷直流电动机已成为现代驱动技术的重要贡献者。它们在消费电器、汽车工业、工业自动化、化工和医疗、航空航天和仪器仪表等领域的应用日益广泛。

虽然长期以来一直用于驱动和发电，但以刷直流电机为主的亚千瓦级一直是一个灰色区域。但是现代电力电子和微处理器技术已经允许小型无刷直流电机蓬勃发展，无论是在价格和性能方面。

什么是无刷直流电动机?

无刷直流电机类似于刷直流电机，但正如名字所暗示的，无刷直流电机不使用刷进行换向，而是他们是电子换向。在传统的有刷直流电动机中，当电刷在固定的磁场中转动时，将电力传输到转子。

如前所述，无刷直流电机使用电子换向，因此消除了机械磨损的电刷。

无刷直流电机的结构

有刷和无刷电机的主要设计区别在于用电气开关电路替换了机械换向器。记住，无刷直流电动机是一种同步电机，定子和转子产生的磁场以相同的频率旋转。

无刷电机有三种配置:单相，两相和三相。其中，三相无刷直流电机是最常见的一种。

下图显示了无刷直流电动机的横截面。

如图所示，无刷直流电机由两个主要部分组成:定子和转子。

定子

无刷直流电动机的定子结构与感应电机的定子结构相似。它由层叠的钢片和轴向切割槽组成，用于缠绕。无刷直流电动机的绕组与传统感应电动机的绕组略有不同。

通常，大多数无刷直流电机由三个定子绕组组成，以星形或“Y”方式连接(没有中性点)。此外，根据线圈的相互连接，定子绕组又分为梯形电机和正弦电机。

在梯形电机中，驱动电流和反电动势都是梯形的形状(对于正弦电机来说是正弦形状)。通常，48v(或更低)额定电机用于汽车和机器人(混合动力汽车和机械臂)。

转子

无刷直流电机的转子部分由永磁体(通常是钕(Nd)、钐钴(SmCo)等稀土合金磁体和钕、铁氧体和硼(NdFeB)合金)组成。

根据应用，极点数可在2至8之间变化，南北两极交替布置。下图显示了三种不同的极点排列方式。在第一种情况下，磁铁被放置在转子的外围。

第二种结构称为嵌磁转子，其中矩形永磁体嵌入转子的核心。在第三种情况下，磁铁被插入转子的铁芯。

位置传感器(霍尔传感器)

由于无刷直流电动机中没有电刷，因此换向是由电子控制的。为了使电机旋转，定子绕组必须按顺序通电，并且必须知道转子的位置(即转子的南极和北极)，以便精确地对一组定子绕组进行通电。

位置传感器通常是霍尔传感器(根据霍尔效应原理工作)，通常用来检测转子的位置，并将其转换为电信号。大多数无刷直流电机使用三个霍尔传感器，嵌入到定子来感知转子的位置。

霍尔传感器的输出将是高或低取决于是否北极或南极的转子通过它附近。通过结合三个传感器的结果，可以确定确切的通电顺序。

读到如何使用霍尔效应传感器arduino ?

工作原理

考虑以下在指定为A、B和c的定子中设置三个绕组。为了理解起见，让我们用单个磁铁替换转子。

我们知道，当电流通过线圈时，会产生磁场，而磁力线的方向，即产生的磁极，将取决于流过线圈的电流的方向。

利用这个原理，如果我们给线圈A供电，它就会产生磁场并吸引转子磁铁。转子磁铁的位置将稍微顺时针移动，并将与A对齐。

如果我们现在让电流依次通过B和C线圈，转子磁铁将按时钟方向旋转。

为了提高效率，我们可以用一个线圈来缠绕相反的线圈，这样我们就得到了双重的吸引力。为了进一步提高效率，我们可以同时给两个线圈通电，使一个线圈吸引磁铁，另一个线圈排斥磁铁。在这段时间内，第三个将会闲置。

为了完成360度⁰转子磁铁的旋转，六种可能的组合线圈A, B和C是适用的，如下时序图所示。

根据上面的图，我们可以确定在任何时候，一个相是正的，一个相是负的，第三个相是空闲的(或浮动的)。因此，根据霍尔传感器的输入，我们有两个开关的相位，如上图所示。

驱动无刷直流电机

如果定子和转子是无刷直流电机必不可少的组成部分，那么驱动电子也同样重要。典型的无刷直流电机控制或驱动系统的框图如下图所示。

这种驱动电路通常被称为电子速度控制器系统或简单地称为ESC。一种常见的设置称为全桥驱动电路。它由一个带PWM输出的单片机、6个场效电晶体对于定子绕组的三相，霍尔传感器的反馈和一些电源相关组件。

单片机可以根据霍尔传感器的数据编程来适当地切换mosfet。

无刷直流电机的优点

由于无刷直流电动机是电子换向，有几个优势超过传统的刷直流电机。其中一些是:

• 无磨损(由于没有刷子)
• 效率高
• 更好的速度和扭矩特性
• 寿命长
• 低噪音或无噪音操作
• 显著提高转速

无刷直流电机的应用

无刷直流电机的一些应用领域如下:

• 单速应用程序
• 调速应用程序
• 位置控制
• 低噪声的应用程序
• 高速度的应用程序