北京永光高特微電機有限公司
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單相無刷直流電動機和驅動控制器

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:489

摘要:介紹雙極性單相無刷直流電動機的結構、工作原理和驅動控制器.電磁計算的主要公式.樣機的試驗結果。

關鍵詞:單相無刷直流電動機;驅動控制器;位置傳感器

l  概  述

   永磁無刷直流電動機是一種機電一體化產品,集機械、電子、計算機技術、新材料為一體,并與驅動控制器一起運行,具有噪聲低、效率高、壽命長、可靠性高等優點。它與有刷直流電動機相比,取消了電刷和換向器,消除了無線電干擾,提高了效率。

   新的一代家用電器要求節能、舒適、網絡化、智能化。例如,對冰箱、空調器用壓縮機電動機、風扇電動機、洗衣機用電動機需要進行更新換代,采用永磁無刷直流電動機來取代常用的異步電動機。

   本文介紹排氣風扇用小功率單相無刷直流電動機,可以取代單相異步電動機,其電流是從整機的控制器直流電源中獲得。主要技術數據如下:

   額定電壓:24V

   輸出功率:7W

   起動電壓:>6.5V

   轉速:3 200r/min

   轉向:從傳動端看為順時針

   過流保護:8A,2s

2單相無刷直流電動機

   雙極性單相無刷直流電動機的結構為:轉子由鐵氧體永磁材料的4極環形磁鋼組成;定子鐵心有4槽、嵌有4組集中繞組,相鄰繞組反接,串聯連接;安裝于機殼側端的位置傳感器沿電樞槽中心線伸入到轉子磁極上。

   圖1a、b分別為不同N、S極位置時電機工作原理圖。

    圖l  電機上作原理圖

   圖1a所示轉子磁極的位置、定子繞組電流方向,相鄰兩繞組的磁動勢相位相差180°。繞組反接后,將使串聯的繞組電流是同相位。永磁轉子產生梯形氣隙磁場波形,通入恒量電流的定子繞組也產生梯形氣隙磁場波形,相互作用產生恒量的力矩,永磁轉子將產生順時針方向的電磁轉矩,電磁轉矩的大小與電流有關,力矩作用范圍O<αm丌電角度,αm是磁狀態角。當永磁轉子旋轉90°,定子繞組電流方向變為反向,如圖1b所示,永磁轉子仍將產生順時針方向的電磁轉矩,力矩作用范圍π<αm2丌電角度。根據位置檢測器的N、S極信號輪換給定子繞組正、反向180°電角度通電,永磁轉子會在順時針方向的電磁力矩作用下連續順時針旋轉。定子繞組在氣隙中形成了以180°電角度跳躍變化的磁動勢矢量.與永磁轉子磁動勢一起帶動永磁轉子,使之與定子磁動勢以相同轉速旋轉。

   單相無刷直流電動機起動和運行時存在死點問題。由于凸極磁阻轉矩的存在,轉子磁極中心線將被定位口α=O或αm=nπ電角度(n=1、2、3)的位置,即機械角度0、π/2、π、3π/2的4個位置,電動機將因無電磁轉矩而無法起動。采用不均勻氣隙,如圖2所示,定子沖片齒端有一凸臺,造成磁極中心線兩側氣隙磁阻不相等,有凸臺側氣隙磁阻小。使無電狀態下,磁路對稱中心線偏離0°的位置,在磁阻力矩作用下,向凸臺側偏移θ角度,即電樞磁場與磁極磁場中心線有夾角θ,永磁轉子的N極中心線將停在口角附近.當定子繞組通電時,將產生起動電磁力矩,

永磁轉子在電磁力矩作用下.作順時針方向旋轉,當旋轉到π/2附近,在磁阻力矩作用下,永磁轉子向π/2+θ處旋轉,此時,定子繞組電流已反向,產生順時針方向的電磁力矩,使電動機保持順時針方向連續旋轉。因此,解決了單相無刷直流電動機起動和運行時存在死點問題。

 圖2  電樞沖片局剖視圖

   起動時,當電動機外旋電壓大于6.5V時,某2個功率晶體管導通,并控制定子繞組電流,使轉子轉到一個預知位置;接著,電動機加速,逐漸提高電動機外施電壓至24V,電動機在不失步的前提下,轉子轉速也逐漸提高;電動機加速到足夠高速度時,用永磁轉子的磁極位置信號代替同步信號后,也就是電動機運行狀態的切換,達到額定轉速狀態。

3驅動控制器

驅動控制器的設計要求運行可靠、結構簡單、成本低。該電路主要由單相雙極性控制電路、位置控制驅動電路、過流保護元件等組成,如圖3所示。

 圖3驅動控制電路原理圖

   電動機電樞繞組梯形波電流的通電時刻與磁動勢波形、轉子磁極位置有嚴格的對應關系,否則將產生較大的轉矩脈動?;魻栐恢脗鞲衅鳈z測永磁轉子磁極相對電樞繞組的位置,在確定的位置發出位置傳感信號,將信號放大處理后,便可控制相應的、功率開關元件控制電路。當永磁轉子轉動時?;魻栐舾修D子不同的N,S極性,由集成電路模塊輸送出不同的高、低電平信號。當轉子N極中心線處于圖1a位置時,集成電路模塊輸出高電平使功率晶體管T2、T3在0~7π電角度導通,電樞繞組AX通電,人為+、X為一,在AX方向電流與轉子磁極磁場作用下產生電磁轉矩,轉子順時針方向旋轉90°,相當180。電角度,轉子N極中心線處于圖1b位置時,集成電路模塊輸出低電平,使功率晶體管T2、T3截止,功率晶體管T1、T4在π~2π電角度導通,電樞繞組A×反向通電,X為+,A為一,在XA方向電流與轉子磁極磁場作用下產生電磁轉矩,轉子順時針方向旋轉90°。周而復始,保證了電動機順時針方向旋轉。

   驅動控制電路中,使用單片集成電路模塊ULN2003AN,該控制電路包括換流邏輯、輸出驅動電路等。電阻R決定功率晶體管導通的基極電流。電容C有濾波、穩壓功能。集成電路模塊KIP7805P是三端電壓穩壓器。

   過流保護采用自復保險絲PSM,對電動機堵轉、電樞繞組短路等故障進行限流、過熱保護。自復保險絲是高分子復合物的正溫度系數的熱敏電阻器??芍貜褪褂枚鵁o需更換,且體積小,易安裝。雙金屬斷路保護器能自動復原,但是它在故障仍然存在的情況下也能回復。而自復保險絲的初始電阻值,對故障的反應時間及外形尺寸等均優于陶瓷PTC器件。自復保險絲動作的速度與所選元件的參數、異常電流的大小及環境溫度的高低有關,溫度越高,電

流越大,則動作時間越快。

4電磁計算、試驗

   總體方案設計應兼顧無刷直流電動機和驅動控制器的性能要求。電動機的電磁計算首先要進行:把輸入給驅動控制器的電壓、電流換算成輸入給電動機的電壓、電流,這對單相無刷直流電動機較簡單。主要電磁計算公式:

氣隙磁誦增量△φδ:

式中,δ1為主氣隙長度,δ為凸臺處氣隙長度,θ1為電樞沖片齒角度,θ2為凸臺角度,φδ1無凸臺時,每極氣隙磁通。

氣隙磁通量:

電樞磁場與磁極磁場中心線夾角:

電樞繞組感應電勢:

式中,為電動勢常數,P為極對數,αi為計算極弧系數,W為電樞繞組匝數,n為電機轉速。

電樞電流:

式中,△U為功率晶體管壓降,R為電樞繞組電阻,UN為額定電壓。

電動機轉速:

空載轉速:  

電磁轉矩:  

式中,Bδ為永磁體產生的氣隙磁密,lef為電樞計算長度,Di為定子內徑。

樣機研制中,θ角大于4。,才能解決電動機起動和運行時死點。試驗數據見表1。

表1  電動機試驗數據

5  結  語

單相無刷直流電動機的電磁計算特點:永磁體和電樞集中繞組產生梯形波氣隙磁密,不同正弦波氣隙磁密的計算;定子沖片齒端凸臺造成氣隙磁通量增加,應滿足電樞磁場與磁極磁場中心線夾角θ大于4°;單相電動機的壓降系數、漏磁系數比三相電動機大。反接串聯的電樞繞組比二組繞組輪流通電的單相無刷直流電動機可獲得更高的效率。對小型驅動控制器,可選用功能更多的單片集成電路模塊,例如,UDN3626M適用于24V電壓,工作電流小于0.4A,它包括了霍爾傳感器、過流保護電路等。外轉子式單相無刷直流電動機也可采用齒端凸臺的不均勻氣隙。隨著單片集成電路模塊功能提高、價格降低,電動機規格增加,使更多的無刷直流電動機應用在家用電器領域。

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