張曉宇+陳志南

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與完善，低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。與傳統(tǒng)永磁有刷直流電機(jī)相比較，現(xiàn)代低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有更加明顯的應(yīng)用控制優(yōu)勢(shì)，其具備了良好的控制性能、啟動(dòng)與調(diào)速特性以及應(yīng)用范圍廣泛等，能夠有效確保各項(xiàng)設(shè)備安全穩(wěn)定持續(xù)的運(yùn)行。此外，低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)在運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲和高熱量、磨損程度小，有利于企業(yè)生產(chǎn)水平的提升。本文將進(jìn)一步對(duì)低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其控制展開分析與探討。

關(guān)鍵詞：低速；永磁；無(wú)刷直流電機(jī)；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.019

0 引言

當(dāng)前是一個(gè)科學(xué)技術(shù)化的時(shí)代，低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展應(yīng)用要與時(shí)俱進(jìn)，跟上時(shí)代前進(jìn)的腳步。由于低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有機(jī)械特性良好、過載能力強(qiáng)、高效節(jié)能以及控制操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，因此被普遍應(yīng)用在市場(chǎng)各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，促使各個(gè)企業(yè)在最低成本下創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為了最大程度提升低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的使用性能，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)必須有效采取抑制其齒槽脈動(dòng)的解決措施，確保低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)能夠安全可靠的運(yùn)行，避免企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

1 低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)和工作原理

低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的構(gòu)成主要包括了三個(gè)部分，它們分別是永磁電機(jī)主體、功率電子開關(guān)以及轉(zhuǎn)子傳感器。當(dāng)前，永磁無(wú)刷直流電機(jī)主要分為了兩種類型，一種是分裝式，另一種則是整體式。其中，分裝式結(jié)構(gòu)是一種無(wú)框架的電動(dòng)機(jī)，而整體式電機(jī)則主要提供涵蓋了軸承、轉(zhuǎn)軸、殼體以及相關(guān)裝置等整套的直流電機(jī)裝置。相對(duì)于分裝式永磁無(wú)刷直流電機(jī)，整體式結(jié)構(gòu)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于方便用戶管理和維護(hù)，能夠節(jié)省更多人力和財(cái)力。

永磁無(wú)刷直流電機(jī)還可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)、外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)以及雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。例如，內(nèi)轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)的無(wú)刷直流電子在其鐵心內(nèi)部存在多相對(duì)稱繞組，不同繞組之間構(gòu)成三角形或者星形，同時(shí)還分別與逆變器中的所有開關(guān)管進(jìn)行連接工作。在永磁無(wú)刷直流電機(jī)中普遍使用的永磁材料特征為高剩磁密度、高矯頑力；外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的特征為將電樞放在設(shè)備內(nèi)部，而將具有永磁體的轉(zhuǎn)子置于外部。外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式一般可概括為三種，它們分別是表面式磁極結(jié)構(gòu)、嵌入式磁極結(jié)構(gòu)以及環(huán)形磁極結(jié)構(gòu)。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)直流電機(jī)之間差異性入下圖1所示。

在低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)中電樞繞組連接方式主要包括了兩種，一種是星形連接繞組，另一種則是封閉式連接繞組。不同電樞繞組連接方式與電子換向電路結(jié)合可以形成多元化的組合方式。例如，星形繞組與橋式繞組、三相封閉式連接繞組與橋式線路組合等等。

當(dāng)?shù)退儆来艧o(wú)刷直流電機(jī)在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子位置傳感器所獲取的信號(hào)在分析處理后會(huì)科學(xué)按照標(biāo)準(zhǔn)邏輯程序，促使一些與電樞繞組互相連接的功率開關(guān)晶體管在特定時(shí)刻完成停止或者導(dǎo)通操作。此時(shí)，直流電機(jī)電樞繞組中之前未能夠接通電流的繞組就會(huì)接入電流，相反之前接通電流的繞組就會(huì)關(guān)閉電流或者是促使電流流通方向發(fā)生變化，這樣以來(lái)就導(dǎo)致定子磁狀態(tài)出現(xiàn)改變現(xiàn)象。我們通常將這種采用電子電路去完成電樞繞組內(nèi)電流變化的過程叫做為電子換向。電流在繞組中每換流一次，就會(huì)直接導(dǎo)致定子磁場(chǎng)發(fā)生變化，在持續(xù)換流過程中，就會(huì)有效形成一個(gè)跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

轉(zhuǎn)子位置傳感器在低速永磁無(wú)刷直流機(jī)中主要發(fā)揮出了兩個(gè)重要作用，一個(gè)是明確了電子換向電路驅(qū)動(dòng)線路中功率晶體管的導(dǎo)通角，這樣能夠讓工作人員科學(xué)判斷分析出電樞磁場(chǎng)的磁狀態(tài)；而另一個(gè)作用就是在轉(zhuǎn)子位置傳感器的輔助下，完成對(duì)轉(zhuǎn)子所處位置的檢測(cè)工作，這樣有利于技術(shù)人員去明確轉(zhuǎn)子換向和驅(qū)動(dòng)線路的正確導(dǎo)通順序[3]。

2 低速永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主要控制措施

2.1 有位置傳感器控制

低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行離不開三個(gè)核心部件，它們分別是永磁電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器以及功率電子開關(guān)電路。其中，轉(zhuǎn)子位置傳感器主要負(fù)責(zé)獲取產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，在分析處理后將其有效送到轉(zhuǎn)子位置譯碼電路，接著在邏輯變換和放大程序下，成功將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成科學(xué)正確的換向順序信號(hào)，這樣一來(lái)就能夠完成起動(dòng)導(dǎo)通所相對(duì)應(yīng)的各個(gè)功率開關(guān)部件，同時(shí)還可以確保其按照一定規(guī)范次序進(jìn)行接通或者斷開繞組，在整個(gè)過程中直流電機(jī)電驅(qū)產(chǎn)生的步進(jìn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)會(huì)一直維持均衡的垂直關(guān)系，從而保障永磁無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩。就比如，企業(yè)在使用8051單片機(jī)控制系統(tǒng)工作中，直流電機(jī)定子三相繞組Y連接，通常情況下橋式主電路所采取的通電手段為兩兩互通。通過將8051單片機(jī)P2口設(shè)置為輸入口，它的主要功能是負(fù)責(zé)送入位置檢測(cè)信號(hào)H1/H2/H3；接著將8051單片機(jī)P1口設(shè)置成輸出口，其中P1.0、P1.1、P1.2口經(jīng)方向驅(qū)動(dòng)門74LS06控制P溝道MOSFETV1、V2、V3柵極；P1.3、P1.4、P1.5經(jīng)或非門 74LS33 與 P0.1相或后控制 N 溝道 MOSFET V4、V6、V20、P0.0線輸出發(fā)電制動(dòng)高電平信號(hào)，導(dǎo)通 V0后可使轉(zhuǎn)子動(dòng)能變換成的電能消耗在制動(dòng)電阻Rt，電流檢測(cè)運(yùn)用電流采樣電阻 Rf，其上電壓信號(hào) Uf送電壓比較器 LM 與設(shè)定值 Uo相比較，完成對(duì)橋臂零部件的通斷操作，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的恒流控制或者過流保護(hù)。在轉(zhuǎn)速操控過程中，通過合理應(yīng)用先進(jìn)的脈沖調(diào)制方法可以有效控制電壓大小，從而完成速度調(diào)節(jié)工作[4]。工作人員要想順利完成正反轉(zhuǎn)控制操作，就必須通過優(yōu)化調(diào)整繞組的實(shí)際通電順序，合理采用一致的位置傳感器，正、反轉(zhuǎn)時(shí)光敏接收元件對(duì)通電相的控制，通過一個(gè)邏輯電路去實(shí)現(xiàn)，并且把傳感器的控制信號(hào)有效轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系。電流控制要經(jīng)過使用電阻 Rf對(duì)流經(jīng)不同上、下橋臂功率管和電機(jī)繞組的相電流進(jìn)行采樣，當(dāng)設(shè)定值小于電機(jī)實(shí)際電流時(shí)，比較器輸出低電平，通過電阻 R4、R6、R2將功率開關(guān) V4、V6、V2關(guān)斷，從而促使直流電機(jī)的電流下降。

2.2 無(wú)位置傳感器控制

企業(yè)要想確保無(wú)位置傳感器低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行安全可靠的運(yùn)行工作，設(shè)計(jì)人員就必須科學(xué)設(shè)計(jì)出一個(gè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)專門用來(lái)檢查電路，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的獲取來(lái)源主要來(lái)自原低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的軟硬件。當(dāng)前，所采用的檢測(cè)方法主要包括了鎖相環(huán)技術(shù)法、反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法、電感法以及定子三次諧波法等。在這幾種檢測(cè)方法當(dāng)中，應(yīng)用最為普遍的是反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法。

反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法實(shí)際工作原理是：當(dāng)?shù)退儆来艧o(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，就可以直接在定子繞組中出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。倘若定子繞組所采用的繞組方式為集中整柜繞組，那么方波磁場(chǎng)在定子繞組中所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)就會(huì)形成梯形波，經(jīng)過所獲取到的電動(dòng)勢(shì)波形，工作人員就可以準(zhǔn)確找出過零點(diǎn)，從而判斷確定出轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置信息。要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)實(shí)踐過程，技術(shù)人員可以采取端電壓法或者相電壓法，該兩種方法在本質(zhì)上是一樣的，能夠確保企業(yè)在最低成本投資下創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟(jì)效益，并且保障設(shè)備運(yùn)行過程的安全可靠性[5]。

操控人員在起動(dòng)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)時(shí)，通常所運(yùn)用的起動(dòng)手段為“三段式”起動(dòng)法，該種起動(dòng)方法的重要特點(diǎn)是通過把整個(gè)起動(dòng)過程劃分為三個(gè)不同階段，它們分別是轉(zhuǎn)子定位、外同步加速以及自同步切換。如果低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)輕載起動(dòng)，切換操作較為簡(jiǎn)單容易時(shí)，那么操控人員只需要保證加速度達(dá)到切換速度要求，就可以輕松完成切換控制操作。

3 冷卻風(fēng)扇低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其控制

定子與轉(zhuǎn)子。

冷卻風(fēng)扇無(wú)刷直流電機(jī)的本體構(gòu)成主要包括了兩個(gè)部分，一部分是定子，另一部分是轉(zhuǎn)子。其中定子是靜止不動(dòng)的本體部件，主要起到支撐固定電樞繞組的作用。定子的組成涵蓋了定子鐵芯、固定鐵芯、電樞繞組以及繞組所要使用到的各種材料、零部件。而轉(zhuǎn)子作為無(wú)刷直流電機(jī)本體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，主要起到產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)的作用。轉(zhuǎn)子的組成涵蓋了導(dǎo)磁體、永磁體以及支撐零部件。

為了確保永磁無(wú)刷直流電機(jī)穩(wěn)定持續(xù)的工作，技術(shù)檢測(cè)人員必須使轉(zhuǎn)子和定子能夠達(dá)到電磁方面的基礎(chǔ)要求，保證它們?cè)诠ぷ鬟^程中可以產(chǎn)生充足的磁通。其中，電樞繞組是能夠流入一定的電流的，這樣有利于產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。此外，工作人員還必須保證轉(zhuǎn)子和定子要滿足機(jī)械方面的相關(guān)要求，全面保障機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，可以有效發(fā)揮出其傳送轉(zhuǎn)矩的作用，不受到外界環(huán)境因素的影響。冷卻風(fēng)扇無(wú)刷電機(jī)方框原理圖如下圖2所示。

在當(dāng)前市場(chǎng)上，冷卻風(fēng)扇低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)中存在著多種多樣的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。例如，工作人員按照磁體在轉(zhuǎn)子上的不同安裝手段，可以合理將其分為內(nèi)置式永磁體和表面貼裝式永磁體。其中，表面貼裝式永磁體的優(yōu)勢(shì)在于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，有利于大批量生產(chǎn)，并且自身成本低廉。缺點(diǎn)在于該永磁體會(huì)直接面對(duì)電樞反應(yīng)的退磁，同時(shí)還要充分考慮到在高轉(zhuǎn)速時(shí)的離心力保護(hù)。而內(nèi)置式永磁體的優(yōu)勢(shì)在于其有效提高了氣隙磁通密度，具備了聚磁的作用，從而保證磁體取得良好的電機(jī)性能。內(nèi)置式切向式條形磁鐵結(jié)構(gòu)制作較為簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的操作加工，其包括在磁鋼外部的鐵心能夠起到全面的保護(hù)緩沖作用，有效避免磁鋼發(fā)生退磁的現(xiàn)象。此外，因?yàn)榇配撌且蕾囉阼F芯穩(wěn)固在鐵心內(nèi)部的，這樣一來(lái)就有效優(yōu)化了生產(chǎn)程序，加工人員無(wú)需進(jìn)行粘膠、固定磁鋼夾等操作，從而降低了他們的工作任務(wù)量，節(jié)省了更多的時(shí)間，為企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。下圖3為不同的磁鋼固定方式圖。

在風(fēng)扇永磁無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行過程中，鐵心要承受來(lái)自于機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電磁熱的綜合作用。直流電機(jī)鐵心是由眾多沖片疊壓構(gòu)成的，其形狀較為復(fù)雜，需要加工生產(chǎn)人員確保沖片疊壓后的鐵心能夠符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和形狀規(guī)則，省去后期的鐵心補(bǔ)充加工作業(yè)。鐵心具備了優(yōu)越的電磁性能，降低了鐵資源的損耗。企業(yè)在定子鐵心生產(chǎn)加工過程中，要確保其具備良好的牢固性和緊密性[6]。

當(dāng)前，永磁鐵氧體被廣泛的應(yīng)用在冷卻風(fēng)扇永磁無(wú)刷直流電機(jī)中，其成本低廉，市場(chǎng)價(jià)格僅為稀土磁鐵的三分之一左右。永磁鐵氧體具備了良好的矯頑力，能夠在-40℃-200℃環(huán)境下安全穩(wěn)定的作業(yè)，并且不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重退磁的問題。與此同時(shí)，永磁鐵氧體具有較高的電阻率，不會(huì)發(fā)生任何因?yàn)闇u流而造成的損耗問題，被普遍應(yīng)用在敞開式結(jié)構(gòu)的冷卻風(fēng)扇永磁無(wú)刷直流點(diǎn)集中。冷卻風(fēng)扇永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，企業(yè)要研究設(shè)計(jì)該類電機(jī)時(shí)，必須根據(jù)用戶需求有針對(duì)性的選用定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，優(yōu)先選擇高質(zhì)量的磁體和鐵心材料，從而充分保障直流電機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)在控制上具備了較大的優(yōu)勢(shì)，被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域上。低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)相較于傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)，其能夠不收外界環(huán)境因素的影響，方便工作人員的管理維護(hù)，降低企業(yè)各項(xiàng)設(shè)備的控制管理成本，從而有效促進(jìn)企業(yè)和諧穩(wěn)定的持續(xù)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：張曉宇（1973-），男，河南南陽(yáng)人，碩士，副教授，高級(jí)工程師，研究方向：電機(jī)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)、研發(fā)工作。