2034
無(wú)刷電機(jī)，指的是一種無(wú)需電刷與機(jī)械換向器的電機(jī)設(shè)備。傳統(tǒng)的有刷電機(jī)設(shè)計(jì)中，定子通常采用永磁體，而轉(zhuǎn)子則為電磁鐵。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，電刷會(huì)自動(dòng)切換轉(zhuǎn)子電磁鐵中的電流方向，從而確保轉(zhuǎn)子始終受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用，實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。相比之下，無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于，其轉(zhuǎn)子為永磁體，而定子則為電磁鐵。為切換電磁鐵中的電流，無(wú)刷電機(jī)采用電子換向器而非機(jī)械式電刷，因此得名無(wú)刷電機(jī)。
在電機(jī)技術(shù)中，槽數(shù)N和級(jí)數(shù)P是兩個(gè)核心概念。槽數(shù)N特指定子上的電磁鐵極數(shù)量，而級(jí)數(shù)P則代表轉(zhuǎn)子上磁極的數(shù)量。一種常見的電機(jī)結(jié)構(gòu)為3N2P型，這種結(jié)構(gòu)指的是定子具有三個(gè)線圈極，同時(shí)轉(zhuǎn)子上配置有兩個(gè)磁極的無(wú)刷電機(jī)。以下是3N2P型無(wú)刷電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)理解這些基本概念和電機(jī)結(jié)構(gòu)，我們可以更好地把握電機(jī)的工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域。
定子構(gòu)造包含三組線圈，分別標(biāo)識(shí)為A、B、C。這三組線圈的一端匯聚于一個(gè)公共點(diǎn)，而另一端則分別引出為三個(gè)獨(dú)立的引線，即a、b、c。在定子的中心位置，安置一塊磁鐵，便構(gòu)成了最基本的無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)，詳情可見附圖所示。
值得注意的是，這僅僅是3槽2極電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，其在復(fù)雜度和性能上屬于較為簡(jiǎn)單的類型。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提升電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)矩能力，通常會(huì)采用增加槽數(shù)和極數(shù)的設(shè)計(jì)。此外，線圈的連接方式可以根據(jù)具體需求選擇星形或三角形連接。從機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，電機(jī)還可以進(jìn)一步區(qū)分為外轉(zhuǎn)子電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，這主要取決于轉(zhuǎn)子是位于電機(jī)的內(nèi)部還是外部。
了解了無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)，那么，無(wú)刷電機(jī)是如何轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的呢？
我們?nèi)匀灰宰詈?jiǎn)單的3N2P無(wú)刷電機(jī)為例，假設(shè)初始時(shí)，我們?cè)赼端接電源正、b端接電源負(fù)、c端懸空，則A線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)方向朝左上方，B線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)方向朝正上方，磁場(chǎng)的矢量和朝左上方，轉(zhuǎn)子磁鐵在A、B線圈的磁場(chǎng)作用下，會(huì)轉(zhuǎn)到圖示方向：
下一時(shí)刻，我們?cè)赾端接電源正、b端接電源負(fù)、而a端懸空，則磁場(chǎng)矢量和朝向右上方，轉(zhuǎn)子磁鐵會(huì)從下圖的1轉(zhuǎn)到下圖2中的位置：
同理，后續(xù)依次c+a-、a-b+、b+c-、c-a+、a+b-、b-c+循環(huán)加電，轉(zhuǎn)子磁鐵就能循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。每經(jīng)過(guò)6次切換電流，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。
因?yàn)槿齻€(gè)線圈相隔120°，所以，不難得出兩個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)矩為單個(gè)線圈的√3倍。
上述驅(qū)動(dòng)方法中，每次導(dǎo)通了兩個(gè)線圈，因此稱為“二二導(dǎo)通”驅(qū)動(dòng)方式;相對(duì)地還有一種三個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通的方式，稱為“三三導(dǎo)通”驅(qū)動(dòng)方式。
例如，施加電壓為 a+b-c- 的狀態(tài)時(shí)，由于三個(gè)線圈都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，則定子磁鐵會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到下圖位置(N極正對(duì)A線圈)：
而且，由于A線圈中的電流等于B、C電流之和，所以總的轉(zhuǎn)矩為1.5倍A線圈的轉(zhuǎn)矩。
不難分析出，“三三導(dǎo)通”的驅(qū)動(dòng)方式，也是6個(gè)步驟完成轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。如我們依次按a+b-c-、a+b-c+、a-b-c+、a-b+c+、a-b+c-、a+b+c-循環(huán)控制線圈電壓，則定子也能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。
上面我們分析了如何讓三相的無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，實(shí)質(zhì)上就是需要能對(duì)三個(gè)線圈的引出點(diǎn)分別加正、負(fù)電壓，一般可以用如下三相六臂全橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)：
例如，在上圖中導(dǎo)通Q1和Q4，其他都不導(dǎo)通，那么電流將從Q1流經(jīng)U相繞組，再?gòu)腣相繞組流到Q4。這樣也就完成了個(gè)線圈通電，同理，依次導(dǎo)通Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6和Q1Q6，這也就完成了“二二導(dǎo)通”的6個(gè)工作方式。
同理三相全橋也可以實(shí)現(xiàn)“三三導(dǎo)通”的控制方式。
上述全橋電路只是原理性的介，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要保證控制時(shí)，不能有同一個(gè)橋臂的上下MOS管同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)燒毀器件。我們可以先關(guān)閉上橋臂的MOS，再開啟下橋臂的MOS(或者先關(guān)閉下MOS再開啟上MOS)這樣就避免了上下MOS同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間，錯(cuò)開的這個(gè)時(shí)間差，一般稱為死區(qū)時(shí)間(dead time)。很多MCU輸出的PWM波，都可以控制死區(qū)時(shí)間的大小，方便我們?cè)O(shè)計(jì)。
