外轉(zhuǎn)子型直流無刷電機(jī)及其控制系統(tǒng)分析

吳永紅

[摘? ? 要]直流無刷電動(dòng)機(jī)是一種以電子換向器技術(shù)為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的電機(jī)類型，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有一定特殊性，不需要進(jìn)行電刷設(shè)計(jì)，因此可以較為方便地進(jìn)行制造。但是在后續(xù)的使用上，存在著一定的問題。文章主要基于當(dāng)下各行業(yè)使用的電機(jī)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的分析以及闡述。

[關(guān)鍵詞]無刷電機(jī);控制系統(tǒng);調(diào)速平滑性;調(diào)節(jié)供電壓;磨損

[中圖分類號]TM32 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）04–00–03

Analysis of External Rotor Brushless DC Motor and Its Control System

Wu Yong-hong

[Abstract]Brushless DC motor is a type of motor designed based on electronic commutator technology. Such an AC motor has certain particularity in structural design and does not need brush design， so it can be manufactured more conveniently. However， there are some problems in the subsequent use. In the analysis of this paper， the corresponding analysis and elaboration are mainly based on the motors and control systems used in various industries.

[Keywords]brushless motor; control system; smoothness of speed regulation; adjust the supply voltage; abrasion

由于直流電機(jī)在設(shè)計(jì)的過程中，往往采用的是直線型設(shè)計(jì)方式，因此需要在控制的過程中，始終保持較為平滑的運(yùn)行方式，從而起到增大轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)供電壓的效果，這樣就可以基于特定的比例線性，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在直流電機(jī)的操作過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的電火花，同時(shí)也可以很好地調(diào)節(jié)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

1 研究背景

在現(xiàn)階段直流電機(jī)的使用過程中，首先可以很好地起到調(diào)速效果，另外也可以對其啟動(dòng)特性的優(yōu)化起到良好的效果。因此，現(xiàn)階段在諸多的驅(qū)動(dòng)裝置以及伺服系統(tǒng)中，得到了較為普遍的應(yīng)用。在一些傳統(tǒng)的直流電機(jī)當(dāng)中，需要設(shè)計(jì)電刷或者換向器，這樣就會(huì)導(dǎo)致滑動(dòng)機(jī)械接觸較為嚴(yán)重，進(jìn)而對系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性以及性能，造成了直接的影響。甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行過程中，出現(xiàn)一些無線電干擾，從而降低電機(jī)整體壽命。在現(xiàn)階段換向器電刷裝置的使用過程中，經(jīng)常受到轉(zhuǎn)向器電刷裝置的影響，不僅結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，同時(shí)裝置在后續(xù)的維護(hù)上也較為困難。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，使市場中出現(xiàn)了大量不同類型的電子器件，特別是出現(xiàn)的一些直流無刷電機(jī)，可以很好地利用電子開關(guān)或利用位置傳感器的方式，充分發(fā)揮自身的性能，保障后續(xù)進(jìn)行運(yùn)行的過程中，設(shè)備能夠始終保持合理的轉(zhuǎn)速以及較高的運(yùn)行效率。該設(shè)備在轉(zhuǎn)速上，并不會(huì)受到機(jī)械換向問題的影響，同時(shí)所使用的高速轉(zhuǎn)軸，可以穩(wěn)定的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。在當(dāng)下，直流無刷電機(jī)，已經(jīng)得到了較為穩(wěn)定的運(yùn)行與使用。直流無刷電機(jī)也在逐漸與電子線路、電機(jī)融合發(fā)展，現(xiàn)今已經(jīng)將大量現(xiàn)金的電子技術(shù)，應(yīng)用到電機(jī)領(lǐng)域當(dāng)中，以此形成較快的發(fā)展速度[1]。

2 直流無刷電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

在直流無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，基本上與電機(jī)結(jié)構(gòu)與永磁同步電機(jī)基本相同，同時(shí)轉(zhuǎn)子也是有永磁材料所支撐的極對數(shù)永磁體，但是并不會(huì)使用鼠籠繞組，或者使用其他類型的啟動(dòng)裝置。在現(xiàn)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)中，基本上分為兩種不同的類型。首先是轉(zhuǎn)子鐵心外表面，粘貼瓦片性的磁鋼，并形成了凸極式。另一種則是在設(shè)計(jì)的過程中，將磁鋼插入轉(zhuǎn)子鐵心當(dāng)中，這樣就可以形成一種內(nèi)嵌式，或者隱級式的形狀[2]。在使用的永磁材料上，也基本上都是為了利用鐵氧體，或者使用鋁鎳鈷的方式，但是在現(xiàn)階段伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)行了材料的升級，基本上都會(huì)使用一些高性能的復(fù)合金屬材料。

在其位置傳感器的使用上，是整個(gè)無刷電機(jī)運(yùn)行當(dāng)中的關(guān)鍵部分，這樣的使用作用本質(zhì)上是對轉(zhuǎn)子磁場進(jìn)行相應(yīng)的檢測。在結(jié)構(gòu)的使用上，有著電磁式、光電式、霍爾元件等不同的類型。這樣的設(shè)計(jì)方式下，可以很好地提升整體系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

2.1 電磁式位置傳感器

在電磁式的傳感器的使用過程中，基本上會(huì)使用到定子與裝置這兩部分。電子磁心以及轉(zhuǎn)子的扇形，都是使用到了高頻導(dǎo)磁的材料類型。因此，導(dǎo)磁扇形片基本上與電機(jī)磁性大致相同。在不同導(dǎo)磁的鋁合金圓盤上，會(huì)形成一個(gè)轉(zhuǎn)子。這樣在設(shè)計(jì)的過程中，就可以讓其信號線圈，起到一定的信號以及電壓。

2.2 光電式位置傳感器

在固定定子上的光電耦合開關(guān)，以及固定的轉(zhuǎn)子遮光盤上，都是需要基于實(shí)際的要求，開出一定的光孔[3]。其次，在不同的光電耦合的過程中，還要積極地保障在完成充電之后，可以發(fā)出一定量的紅外光，或者形成一定的激光。隨著遮光盤的運(yùn)行，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中就可以形成光電管的導(dǎo)通。

光電式的位置傳感器使用上，由于基本上電信號都比較弱，就會(huì)使得需要得到放大處理，這樣才可以形成良好的直流電信號，同時(shí)并不需要進(jìn)行相應(yīng)的整流這樣的運(yùn)行模式下，可以很好地發(fā)揮出相應(yīng)的處理效果。

2.3 霍爾元件位置傳感器

在使用霍爾元件的過程中，由于基本上是到的半導(dǎo)體進(jìn)行支撐，因此可以將其放置在磁場中。另外，在使用霍爾效應(yīng)的方式下，可以有效地讓其電壓出的半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)良好的效果。一般情況下，半導(dǎo)體效果比較明顯，因此在使用的一些材料中，往往會(huì)形成較為明顯的材料效果。

2.4 電樞繞組的電動(dòng)勢信號

在為控制器當(dāng)中的電機(jī)控制器的使用上，是一種脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)方式，因此可以很好地識別出各種反動(dòng)勢。這樣的設(shè)計(jì)方式下，可以很好地控制直流無刷電機(jī)，進(jìn)行針對性的運(yùn)行以及控制。還需要保障反電動(dòng)勢在運(yùn)行的過程中，始終保持一個(gè)較高的靈敏度[4]。另外，在一些相位比較器的處理上，需要保障避免出現(xiàn)一些衰減的情況。另外，在現(xiàn)階段MTC的控制器中，集成了大量的電機(jī)指令模塊。

3 直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)

對于直流無刷電機(jī)而言，其中定子的三相對稱繞組的設(shè)計(jì)方式，可以基于三相平衡的方式形成正弦電流，并在之后出現(xiàn)一定的幅值，這樣也相應(yīng)始終保持一個(gè)良好的轉(zhuǎn)動(dòng)效果。在一些恒定的勵(lì)磁轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢的運(yùn)行中，會(huì)受到相互作用的影響，因此形成較為均勻的電磁轉(zhuǎn)矩效果。另外，在電流源的自控逆變器的運(yùn)行過程中，所提供的電流由于并不是正弦波，使得在運(yùn)行的過程中，其恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢，除了一些可以平衡的轉(zhuǎn)動(dòng)量，還會(huì)出現(xiàn)一定的脈動(dòng)動(dòng)量，因此就會(huì)導(dǎo)致與傳統(tǒng)類型的電機(jī)運(yùn)行原理并不相同。在普通類型的直流電機(jī)運(yùn)行中，基本上在正負(fù)極的電刷中，會(huì)存在著一定的換向片，在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)自然的情況下，相比較普通電機(jī)比較大。

3.1 電磁轉(zhuǎn)矩

這是在保持定子一相的繞組當(dāng)中，始終需要保持持續(xù)性的直流電流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在電流受到轉(zhuǎn)子的磁場作用下，就會(huì)形成轉(zhuǎn)矩，因此使得轉(zhuǎn)子的位置上，需要基于正弦規(guī)律的變化方式進(jìn)行針對性的運(yùn)行。但是，一旦逆變器采用了特殊的類型，就會(huì)使得形成不同的轉(zhuǎn)子磁場。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，往往要保障結(jié)合起實(shí)際的情況，進(jìn)行針對性的分析。

例如，在觸發(fā)了晶體管的相位之后，無論是提前還是出現(xiàn)延后的情況，都會(huì)直接影響到轉(zhuǎn)矩的平均值?，F(xiàn)階段這樣的處理模式下，就往往會(huì)使得脈動(dòng)出現(xiàn)最小值。還會(huì)使得在運(yùn)行過程中，經(jīng)常性地出現(xiàn)一定的死點(diǎn)。

3.2 外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行外轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)過程中，基本上會(huì)首先使用30塊以上的充好磁場的永磁體，這樣鑲嵌在內(nèi)圓周的轉(zhuǎn)子磁軛上，這樣形成了較為平整的方式。而在永磁體的一半極性上，會(huì)出現(xiàn)相反的效果。對于這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而言，可以很好地避免出現(xiàn)漏磁。在轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)過程中，基本上會(huì)采用一些強(qiáng)度以及質(zhì)量較高的同碳素鋼，同時(shí)也需要在進(jìn)行使用的過程中，便于提升較大的力矩。其次，還在鋁合金的強(qiáng)度控制上，由于輕度不足，因此并不經(jīng)常使用。在芯軸的處理過程中，所采用的是特殊的處理方式，因此就會(huì)使得在時(shí)間的運(yùn)行環(huán)節(jié)，經(jīng)?？梢澡T造出不同的形狀，以此便于提升系統(tǒng)的整體性能。為了保障進(jìn)行驅(qū)動(dòng)性能的提升，基本上都需要嚴(yán)格的要求軸度。

特別是在實(shí)際的投入使用過程中，在定子繞組電流上會(huì)形成一定的全新磁場。同時(shí)，這樣的磁場在減弱之后，會(huì)形成一定的磁力線。在使用不當(dāng)直流刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼，一旦被去磁之后，使得磁性能出現(xiàn)較為明顯的下降。因此，這樣在實(shí)際的運(yùn)行過程中，可以很好地避免由于受到去磁的影響，使得對電機(jī)的整體運(yùn)行能力造成直接的影響。另外，在電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)出極靴，也是為了保障對其運(yùn)行的整體能力上，起到直接的作用。在這樣的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，極大地保障在磁鋼的運(yùn)行環(huán)節(jié)，可以將磁通全面集中到氣隙當(dāng)中。在另外一方面，定子繞組當(dāng)中的電流，也相應(yīng)的會(huì)出現(xiàn)一定的磁通效果。

3.3 電機(jī)電子結(jié)構(gòu)

定子的設(shè)計(jì)過程中，采用了熱軋硅鋼片的方式，在后續(xù)進(jìn)行疊合的過程中，槽絕緣所采用的是聚脂薄膜的方式，因此在繞線的處理上，也相應(yīng)地采用的是基于機(jī)器繞組的方式。因此，這樣的設(shè)計(jì)方式下，可以有效地保障排列較為整齊。其次，在線圈繞組的設(shè)計(jì)過程中，始終保持的是兩層結(jié)構(gòu)類型。在第一層的設(shè)計(jì)中，基本上為120匝。其次，在二層之間的繞組過程中會(huì)抽出抽頭。這樣設(shè)計(jì)相應(yīng)的形成了高速繞組以低速繞組的不同類型。通過針對性的繞組設(shè)計(jì)，極大地提升了調(diào)速范圍。在外圓的設(shè)計(jì)中，往往安裝了霍爾元件，并將其當(dāng)作位置傳感器進(jìn)行使用。不同的位置安裝中，需要保增長對其引線進(jìn)行針對性的標(biāo)注，這是為了保障可以在實(shí)際接線的過程中，始終保持較為快速的效果。

3.4 高速與低速繞組設(shè)計(jì)

在不同的設(shè)計(jì)過程中，始終要結(jié)合起日后實(shí)際使用的需求，因此就需要保障在提升轉(zhuǎn)速的情況下，對一些粗大的脆性原料，始終保持較低的轉(zhuǎn)速，基本上控制在70～80 ppm。其次，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，不同的功能性需要進(jìn)行不同的參數(shù)調(diào)整。對于普通的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的過程中，設(shè)計(jì)較為簡單，但是在本文的設(shè)計(jì)過程中，所提出的外轉(zhuǎn)子的電機(jī)，就要保障實(shí)際運(yùn)行過程中，始終要在離合器的操控下進(jìn)行高速的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量性的設(shè)計(jì)過程中，就需要保障降低故障出現(xiàn)的可能性。

3.5 直流脈寬調(diào)試系統(tǒng)

在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，所采用的門極可斷開晶閘管，這樣設(shè)計(jì)的過程中，就要結(jié)合起各種先進(jìn)的技術(shù)類型，因此構(gòu)成出一個(gè)較為完善的調(diào)速系統(tǒng)。在現(xiàn)階段諸多的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，始終存在著一個(gè)良好的技術(shù)優(yōu)勢。例如，在主電路線路當(dāng)中，存在著較為簡單的效果。其次，在功率上始終比較小，就會(huì)在日常開關(guān)上，進(jìn)行良好的調(diào)整以及控制。電機(jī)的損耗及發(fā)熱問題，都得到了針對性的控制。當(dāng)下在系統(tǒng)頻帶寬以及快速性能的提現(xiàn)中，始終保持著較高的動(dòng)態(tài)抗干擾性，因此就會(huì)導(dǎo)致在主電路的運(yùn)行過程中，降低了實(shí)際損耗，這樣的裝置可以發(fā)揮出一個(gè)良好的運(yùn)行效果。所采用的直流電源，基本上都不會(huì)受到三相整流過程中，電網(wǎng)功率因素過高的影響。圖1為H型PWM交換器電路。

隨著現(xiàn)階段的電器發(fā)展，使得技術(shù)也相應(yīng)地得到了進(jìn)一步的提升。其中PWM的調(diào)速方式上，基本上可分為可逆與不可逆的類型，這樣就可以很好地保障在實(shí)際的運(yùn)行過程中，保障可逆變頻器可以發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

在設(shè)計(jì)的過程中，所采用的PWM換氣可以很好地在運(yùn)行中，基于不同的類型形成不同的功能。在基本上比較常見的型號上，基本上是由4個(gè)電力晶體管以及一些重要的續(xù)流二極管構(gòu)成，這樣構(gòu)建出的橋式電路，可以保持運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。

為了保障雙極式的運(yùn)行困難進(jìn)行有效的處理，就要在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，保障對動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的性能，進(jìn)行針對性的分析。當(dāng)下所采用的PWM變化器，基本上與雙極式大致相同。在不同設(shè)計(jì)方式上，基本上也是在其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，采用的是不同的電器件。在驅(qū)動(dòng)信號變化后，經(jīng)常會(huì)在不同階段中，保持對晶體管的開關(guān)情況，進(jìn)行針對性的處理。因此，在電機(jī)向著單一方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，往往變化器需要進(jìn)行針對性的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以讓其在運(yùn)動(dòng)的過程中，保持一定的頻繁交換處理。運(yùn)行的過程中，并不需要進(jìn)行交替導(dǎo)通，就可以在運(yùn)行中降低整體運(yùn)行效果。

4 結(jié)束語

文章所提出的外轉(zhuǎn)子的直流無刷電機(jī)設(shè)計(jì)方案，具有一定可行性，可以將其運(yùn)用到設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行過程中，使設(shè)備始終保持一個(gè)良好的運(yùn)行模式。相比較傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計(jì)方案而言，本方案可以使設(shè)備獲得較強(qiáng)的運(yùn)行能力，進(jìn)而避免出現(xiàn)故障問題。

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