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用图解法解读无刷直流永磁电机的换向原理

发布时间:2018-09-04 22:27:00 点击:    

 
 

无锡伯顿起重电机2018年9月4日讯  无刷直流永磁电机最关键的技术就是换向问题,若照搬机械换向模式,太过复杂(一换向片相当于一相,大电机几百个换相片都不算为过)以致无法实现,故而演变出许多种具有实际应用价值的换向方案,机理相同、接近于机械换向效果的水平有所差异,应权衡利弊、合理选择。


无刷直流永磁电机的电枢绕组

无刷直流永磁电机电子换向的方法与电枢绕组的连接方式紧密关联,不同连接方式的电枢绕组与不同电子换向电路的组合是多种多样的。

● 星形连接绕组

星形连接绕组是把所有相绕组线圈的首端或尾端连接在一起,与之相配合的电子换向电路可以是桥式线路,也可以是非桥式电路。图1、图2为星形绕组与桥式线路的组合,图3、图4为星形绕组与非桥式电路的组合。


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● 封闭式连接绕组

封闭式连接绕组是由各相绕组线圈组成封闭的形式,即把第一相绕组线圈的尾端与第二相绕组线圈的首端相连接,再把第二相绕组线圈的尾端与第三相绕组线圈的首端相连接,依次类推,直至最后一相绕组线圈的尾端又与第一相绕组线圈的首端相连接。图5为三相封闭式连接绕组与桥式线路的组合,图6为四相封闭式连接绕组与桥式线路的组合。


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电子换向简介

换向又可称之为“换流”。

在无刷直流永磁电机中,来自转子位置传感器的信号,经处理后按照一定的逻辑程序,驱使某些与电枢绕组相连接的功率开关晶体管在某一瞬间导通或截止,迫使某些原来没有电流的电枢绕组内开始流通电流,某些原来有电流的电枢绕组内开始关断电流或改变电流的流通方向,从而迫使定子磁状态产生变化。这种利用电子电路来实现电枢绕组内电流变化的物理过程即所谓“电子换向”或“换流”。“换向”或“换流”一次,定子磁状态就改变一次;连续不断地“换流”,于是在工作气隙内产生一个跳跃式的旋转磁场。

“电子换向”或“换流”是无刷直流永磁电机的关键技术之一,只有正确地进行“换流”,才能保证无刷直流永磁电动机可靠地运行。


电子换向实例

图7是“三相星形非桥式”连接的电子换向电路的原理图。

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图7

图中左边是电磁式转子位置传感器的示意图。固定部分由高频铁氧体磁芯和六个线圈组成,其中三个线圈串联作为原边激磁线圈,另外三个线圈XU、XV和XW作为副边输出线圈,分别与U相、V相和W相三个电枢绕组相对应。转子位置传感器的旋转部分由略大于120电角度的扇形高频铁氧体磁芯(图中涂黑部分)和非导磁体(图中未涂黑部分)所组成的一个圆环,与电动机同轴安装。


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电子换向过程

图7中转子位置传感器的原边激磁线圈通以几百千赫的高频激磁电流的情况下,电子换向过程是这样的:

● 当旋转部分的高频铁氧体磁芯(图中涂黑部分)扇形片使副边输出线圈XU与原边激磁线圈耦合时,副边输出线圈XU就有输出信号;而其他两个副边输出线圈XV和XW没有与原边激磁线圈耦合,所以没有输出信号。这时利用副边输出线圈XU的输出信号经整流处理后去触发与U相电枢绕组相连接的功率开关晶体管BG1,并使之导通,功率开关晶体管BG2和BG3因没有触发信号而保持截止状态,电源给U相电枢绕组供电。


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图7

● 当转子位置传感器的转子扇形片转过120电角度时,扇形片使副边输出线圈Xv与原边激磁线圈耦合,副边输出线圈XV就有输出信号,而其他两个副边输出线圈XU和XW没有与原边激磁线圈耦合,所以没有输出信号。这时,利用副边输出线圈XV的输出信号经整流处理后去触发与V相电枢绕组相连接的功率开关晶体管BG2, 功率开关晶体管BG2由截止变成导通,而功率开关晶体管BG1由导通变成截止,电源给V相电枢绕组供电。


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图7

● 当转子位置传感器的转子扇形片再转过120电角度时,扇形片使副边输出线圈XW与原边激磁线圈耦合,副边输出线圈XW就有输出信号,而其他两个副边输出线圈XU和XV没有与原边激磁线圈耦合,所以没有输出信号。这时,利用副边输出线圈XW的输出信号经整流处理后去触发与W相电枢绕组相连接的功率开关晶体管BG3, 功率开关晶体管BG3由截止变成导通,而功率开关晶体管BG2由导通变成截止,电源给W相电枢绕组供电。这样,随着转子位置传感器旋转部分的扇形高频铁氧体磁芯的转动,电枢绕组便被一相一相地依次馈电,从而实现了电枢绕组各相之间的“电子换向”或“换流”。


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图7

电枢电流产生的旋转磁场及磁状态

在换向或“换流”过程中,三相电枢电流在工作气隙内会形成跳跃式的旋转磁场,这种旋转磁场在360电角度范围内有三个磁状态,每个磁状态持续120电角度,故称之为“一相导通星形三相三状态”。图8示意此情况下,永磁体磁场和电枢磁场之间的相互关系。




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图8

图8(a)为第一磁状态,Fa为电枢绕组被馈电后所产生的磁势。显然,电枢磁场与永磁体磁场的相互作用迫使电动机转子沿着顺时针方向旋转;当转子转过120电角度后,便进入第二磁状态,如图8(b)所示,电动机转子继续沿着顺时针方向旋转;当转子再转过120电角度后,便进入第三磁状态,如图8(c)所示,电动机转子继续沿着顺时针方向旋转;当转子再沿着顺时针方向转过120电角度后,电动机便回到起始状态,这样周而复始,电动机便连续不断地旋转。

 
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