【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ：　　 ?。ǎ┢渲校貫殡娊撬俣?。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在兩兩導(dǎo)通方式時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩有兩相繞組的合成磁極與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用可得：　　 （）式中，——電樞電流　　　——轉(zhuǎn)矩系數(shù)由式（）可以得到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為：　　?。ǎ┛梢?jiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般的直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，nn01n02n03n040US4US3US2US1US4US3US2US1Tst4Tst3Tst2Tst1Te　機(jī)械特性曲線當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過(guò)開關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)管壓降隨著電流增大而增加較快，使加在電樞繞組上的電壓有所減小，向下彎曲。空載轉(zhuǎn)速可由式（）求出，而堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩則為：?。∟M） （）式中——堵轉(zhuǎn)電流。，可以得到調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為：　　　　 ?。ǎ　　　　　　　　? ?。ǎ﹏0Te4Te3Te2Te1U04U03U02U01Te1Te2Te3Te4US　調(diào)節(jié)特性 n=f(Us) Te=C從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。但不能通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)。電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、。，比現(xiàn)有的感應(yīng)電機(jī)的效率高20%左右，而且它在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)能保持高效率運(yùn)行。效率高、損耗低是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。η， Ia0ηIaTe　工作特性30908070605040η（％）050100150200P2(W)：實(shí)驗(yàn)值－：設(shè)計(jì)值　120W樣機(jī)效率特性3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)主電路的工作方式目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體大多采用三相對(duì)稱繞組，由于三相繞組既可以是星形連接，也可以是角形連接，同時(shí)功率逆變器又有橋式和非橋式兩種。因此，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路主要有星形連接三相半橋式、星形連接三相橋式和角形連接三相橋式三種形式。，圖中，A、B、C三相繞組分別與三只功率開關(guān)管VTVTVT3串聯(lián)，來(lái)自位置檢測(cè)器的信號(hào)HHH3控制三只開關(guān)管的通斷。在三相主半橋電路中，位置信號(hào)有1/3周期為高電平、2/3周期為低電平，各傳感器之間的相位差也是1/3周期。　三相半橋主電路H2H31200ωt240360480H11200ωt2403604801200ωt240360480　三相半橋主電路中位置傳感器信號(hào)（a）所示的位置時(shí)，H1為高電平，HH3為低電平，使功率開關(guān)VT1導(dǎo)通，A相繞組通電，該繞組電流同轉(zhuǎn)子磁極作用后所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。（b）所示的位置時(shí)，H2為高電平，HH3為低電平，使功率開關(guān)VT2導(dǎo)通，A相繞組斷電，B相繞組通電，電磁轉(zhuǎn)矩仍使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。（c）所示的位置時(shí)，H3為高電平，HH2為低電平，使功率開關(guān)VT3導(dǎo)通，B相繞組斷電，C相繞組通電，轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，（a）所示的位置。　電樞繞組通電與轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置這樣，定子繞組在位置檢測(cè)器的控制下，便一相一相地依次饋電，實(shí)現(xiàn)了各相繞組電流的換相。在換相過(guò)程中，定子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是跳躍式的，其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在360176。電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120176。電角度。我們把這種工作方式叫做單相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)。三相半橋主電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電機(jī)本體的利用律很低，每相繞組只通電1/3周期2/3周期處于關(guān)斷狀態(tài)，繞組沒(méi)有得到充分利用，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也比較大。圖中，上橋臂三個(gè)開關(guān)管VTVTVT5是P溝道功率MOSFET，柵極電位低電平時(shí)導(dǎo)通；下橋臂三開關(guān)管VTVTVT2是N溝道功率MOSFET，柵極電位高電平時(shí)導(dǎo)通。這種逆變器電路利用P溝道MOSFET和N溝道MOSERT導(dǎo)通規(guī)律的互補(bǔ)性，簡(jiǎn)化了功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。位置檢測(cè)的三個(gè)輸出信號(hào)通過(guò)邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：二二導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。1．二二導(dǎo)通方式二二導(dǎo)通方式是指在任一瞬間使兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。這種工作方式就是兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式，下面根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的概念來(lái)分析其導(dǎo)通規(guī)律及特點(diǎn)。　星形連接三相橋式主電路電機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組的電磁功率求得： （）式中、——A、B、C三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)?！　?、——A、B、C三相繞組的電流?！D(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。可見(jiàn)，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動(dòng)勢(shì)的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動(dòng)勢(shì)越大，轉(zhuǎn)矩就越大。ωtVT40 30 90 150 210 270 330 390 450 510 570 630 690ωtωtωtVT1VT1VT4VT3VT6VT1VT6VT6VT2VT5VT2VT5　三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律。為了使電機(jī)獲得最大轉(zhuǎn)矩，在二二導(dǎo)通方式下，開關(guān)管的導(dǎo)通順序應(yīng)為：VTVT2VTVT3VTVT4VTVT5VTVT6VTVT1。在這種工作方式下，每個(gè)電周期共有六種導(dǎo)通狀態(tài)，每隔60176。電角度工作狀態(tài)改變一次，每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通120176。電角度。由此可見(jiàn)，如果忽略換相過(guò)程的影響，當(dāng)梯形波反電動(dòng)勢(shì)的平頂寬度大于等于120176。電角度時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為0。因此，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量增大磁極的極弧系數(shù)，以獲得足夠?qū)挼拇琶芊植疾ㄐ?，從而得到平頂部分較寬的反電動(dòng)勢(shì)波形。同時(shí)，如果假定電流為平頂波，電機(jī)工作在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式時(shí)，總的電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布，容易根據(jù)相量圖得出此時(shí)合成電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的倍的結(jié)論。必須指出，這個(gè)結(jié)論對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)并不準(zhǔn)確，但可用于逆變器工作方式的定性分析。2．三三導(dǎo)通方式三三導(dǎo)通方式是在任一瞬間使三個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，各開關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋篤TVTVT3VTVTVT4VTVTVT5VTVTVT6VTVTVT1VTVTVT2。由此可見(jiàn)，三三導(dǎo)通方式也有六種導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)也是每隔60176。改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次工作狀態(tài)換相一次，但是每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通180176。，導(dǎo)通時(shí)間增加了。ωt0 60　120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720ωtωtωtVT1VT4VT1VT4VT3VT6VT3VT6VT6VT2VT5VT2VT5　三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律當(dāng)VTVTVT3導(dǎo)通是，電流的路線為：電源VTVT3A相繞組和B相繞組C相繞組VT2地。其中A相B相相當(dāng)與并聯(lián)。如果假定C相繞組的電流為I，則A、B相繞組的電流分別為I/2 ，可以求得電樞繞組產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩約為每單相轉(zhuǎn)矩的兩倍。在三三導(dǎo)通方式下，各相繞組不是在反電動(dòng)勢(shì)波的平頂部分換相，而是在反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)換相。因此，在電樞電流和轉(zhuǎn)速相同的情況下，三三導(dǎo)通方式下平均電磁轉(zhuǎn)矩比二二導(dǎo)通方式下要小，同時(shí)瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩還存在脈動(dòng)。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布。比較兩種通電方式可見(jiàn)：在二二通電方式下，每個(gè)管子均有60176。的電角度的不導(dǎo)通時(shí)間，不可能發(fā)生直通短路故障。而在三三通電方式下，因每個(gè)管子導(dǎo)通時(shí)間為180176。電角度，一個(gè)管子的導(dǎo)通和關(guān)斷稍有延遲，就會(huì)發(fā)生直通短路，導(dǎo)致開關(guān)器件損壞。并且，兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式很好地利用了方波氣隙磁場(chǎng)的平頂部分，是電機(jī)出力大，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好。所以兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式最為常見(jiàn)。與星形連接一樣，角形連接的控制方式也有二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種。 三角形連接三相橋式主電路1．二二導(dǎo)通方式三相角形連接二二導(dǎo)通方式的開關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋篤TVT2VTVT3VTVT4VTVT5VTVT6VTVT1。ωtωtωtωt0 60　120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720VT1VT4VT1VT4VT3VT6VT3VT6VT2VT5VT2VT5　電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其角形連接二二導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律當(dāng)VTVT2導(dǎo)通時(shí)，電流的路線為：電源VT1A相繞組、B相繞組和C相繞組VT2地。其中B相與C相串聯(lián)，在與A并聯(lián)。如果A相繞組中的電流為I，則B、C兩相繞組中的電流約為I/2，總電磁轉(zhuǎn)矩約為單相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。但各相繞組在反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)通，在反電動(dòng)勢(shì)平頂波部分關(guān)斷，瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布?？梢?jiàn)，角形連接二二導(dǎo)通方式下無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作情況與星形連接三三導(dǎo)通是情況相似。2．三三導(dǎo)通方式三相角形連接三三導(dǎo)通方式的各開關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋篤TVTVT3VTVTVT4VTVTVT5VTVTVT6VTVTVT1VTVTVT2。ωtωtωtωt0 60　120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720VT1VT4VT1VT4VT3VT6VT3VT6VT2VT5VT2VT5VT6　電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其角形連接三三導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律當(dāng)VTVTVT3導(dǎo)通時(shí)，電流的路徑為：電源VTVT3A相繞組B相繞組VT2地。A、B兩相繞組并聯(lián)，流經(jīng)A、B兩相的電流大小相同。因此，總的電磁轉(zhuǎn)矩為單相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布，容易得出此時(shí)合成電磁轉(zhuǎn)矩為單相電磁轉(zhuǎn)矩的倍。所以角形連接三三導(dǎo)通方式下無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作情況與星形連接二二導(dǎo)通時(shí)情況相似。所不同的是，在星形連接二二通電方式下，兩通電繞組為串聯(lián)；而三角形連接三三通電時(shí)，兩相繞組為并聯(lián)。4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)位置傳感器在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器種類較多，且各具特點(diǎn)。目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中常用的位置傳感器有以下幾種。［6］電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其位置測(cè)量作用的，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)等多種類型。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，用的較多的是開口變壓器?！‰姶攀轿恢脗鞲衅?，它由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成．定子一般由硅鋼片的沖片疊成，或用高頻鐵氧材料壓鑄而成，一般有六個(gè)極，它們之間的間隔分別為60176。，其中三個(gè)極繞上一次繞組，并相互串聯(lián)以高頻電流（一般的頻率為幾千赫到幾十千赫），另外三個(gè)極分別繞上而次繞組WA、WB、WC。它們之間分別相隔120176。跟蹤轉(zhuǎn)子是一個(gè)用非導(dǎo)磁材料作成的圓柱體，并在它上面鑲上一塊120176。的扇形材料，如圖4－1中涂黑的扇形片所示。在安裝時(shí)將它同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)，其位置對(duì)應(yīng)于某一個(gè)磁極。，一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過(guò)跟蹤轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁材料耦合到繞組WB上，故在WB上產(chǎn)生感應(yīng)電壓UB，而在另外兩相二次繞組WA、WC上由于無(wú)耦合回路同一次繞組相聯(lián)，其感應(yīng)電壓UA、UC基本上為零。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁扇形片也跟著旋轉(zhuǎn)，使之逐步離開繞組WB而向繞組WC靠近（假定為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)），從而使其二次電壓UB下降， UC上升。就這樣，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，在開口變壓器上分別依次感應(yīng)出電壓UB、UC、UA。由于開口變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，目前得到了廣泛的應(yīng)用。扇形導(dǎo)磁片的角度一般大于120176。電角度，常采用130176。電角度左右。在三相全控電路中，為了換相譯碼器的需要，扇形導(dǎo)磁片的個(gè)數(shù)應(yīng)同無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)相等。由于振蕩電源的頻率高達(dá)幾千赫，故變壓器的鐵心往往采用鐵氧體材料，對(duì)頻率較低的鐵心，可以采用其他軟磁材料電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，多用于航空航天領(lǐng)域，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時(shí)，其輸出波形為交流，一般需整流、濾波方可使用，因而限制了它在普通條件下的應(yīng)用。常見(jiàn)的磁敏式位置傳感器是由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成的，世界上第一臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)就使用了霍爾元件式位置傳感器?；魻栐轿恢脗鞲衅饔捎跈C(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低、是目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器?；魻栃?yīng)原理是在長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片上通過(guò)電流IH，當(dāng)將半導(dǎo)體薄片置于外磁場(chǎng)中，并使其與外磁場(chǎng)垂直時(shí)，則在與電流IH和磁感應(yīng)強(qiáng)度B構(gòu)成的平面相垂直的方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)EH，稱其為霍爾電動(dòng)勢(shì)，其大小為：　 （）式中　——霍爾元件的靈敏度系數(shù)霍爾元件所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，在應(yīng)用時(shí)往往需要外接放大器，很不方便。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，將霍爾集成電路有開關(guān)型和線性型。通常采用開關(guān)型霍爾集成電路作為位置傳感器元件。為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，我們把開關(guān)型霍爾集成電路叫做霍爾開關(guān)，其外形象一只普通晶體管。　霍爾開關(guān)應(yīng)用電路原理圖使用霍爾開關(guān)構(gòu)成位置傳感器通常有兩種方法。第一種方式是將霍爾開關(guān)粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，在靠近霍爾開關(guān)與之有一定間隙處，安裝著與電機(jī)軸同軸的永磁體，