從無刷DC永磁電機看無刷DC永磁電機的工作原理

隨著永磁材料和電力電子元件的不斷進步，無刷DC永磁電機發展迅速。它們廣泛應用于工業、農業、國防、航空航天、現代科技和日常生活的各個領域。在電機技術領域，合理、正確地設計無刷DC永磁電機已經成為一個越來越重要的課題。

無刷DC永磁電機原理介紹

在有刷直流永磁電動機中，電樞繞組設置在轉子上,定子永磁體在氣隙中形成勵磁磁場。根據物理定理，在這種情況下，如果電流被迫在電樞繞組的導體中流動，將產生作用在導體上的電磁力，如表達式(1)所示

F=K1Bli………………(1)

在公式(1)中：

F——電磁力(n)；

K1——常量；

B——氣隙磁通密度(t)；

L——導線長度(m)；

I——導體(a)中的電流。

電樞繞組由多個線圈(或元件)組成，每個線圈由幾匝組成。如果電樞繞組的串聯導體總數為n和N1，并且承載相同的電流，則電磁力的大小根據公式(2)計算。

F=K2BNli………………(2)

在公式(2)中，K2是常數。

在電機中，作用在導體上的電動勢對轉子的中心軸形成力矩，迫使轉子繞中心軸旋轉。旋轉電磁轉矩的大小符合公式(3)。

M=K3BNRli………………(3)

在公式(3)中：

M——電磁轉矩(n :m)；

K3——常量；

R——導體相對于轉子中心軸的位置半徑(m)。

在有刷直流永磁電動機中，定子主要由永磁體磁極、導磁瓶和電刷構件所組成，轉子主要由電樞繞組和換向器所組成。的電樞繞組按一定規律與換向器相連，相鄰兩個線圈之間有一定的角位移。假設N極下的一個線圈從0電角度通電，轉子開始旋轉，線圈中的電流在氣隙磁場中產生的旋轉電磁轉矩從0值開始到0值，再從大到小。當轉子轉到180電角度時，線圈產生的旋轉電磁轉矩回到0值。此時線圈離開N極，進入S極下方，線圈內電流方向自動切換到相反方向。開關動作是通過幾個電刷和一個換向器的機械結構來實現的。電樞線圈中電流方向的這種變化稱為機械換向。

這樣，在有刷DC電機的某一磁極下，雖然線圈導體不斷變化，但只要施加電壓的極性保持不變，流過線圈導體的電流方向、作用在電樞上的電磁轉矩方向以及電機的旋轉方向都會保持不變，這就是有刷DC電機機械換向過程的本質。

無刷DC永磁電機的工作原理

在無刷DC磁流體電機中，電樞繞組設置在定子上，磁流體的磁極設置在轉子上。定子各相電樞繞組相對于轉子永磁體磁場的位置由轉子位置傳感器以電子或電磁方式感應。并利用其輸出信號，通過電子換向電路，按照一定的邏輯程序，驅動與電樞繞組相連的相應功率開關晶體管，并將電流切換或換向到相應的電樞繞組。隨著轉子的轉動，轉子位置傳感器不斷發出信號，使電樞繞組輪流通電，并不斷改變通電狀態，從而使某一磁極下線圈導體中流動的電流始終不變。這就是無刷DC永磁電機無接觸電子換向過程的本質。

我們可以想象：在一個有刷DC永磁電機中，如果把電機內部的旋轉電樞變成定子，電樞繞組連接到機械換向器的所有引線都抽出來，每根引線上都有一個功率晶體管開關；通過將靜止的永磁體向外移動到電機的內腔中成為轉子，無刷DC永磁電機可以轉變成無刷DC永磁電機。然而，這種實現方法必須包括大量功率晶體管開關元件和轉子位置傳感器。就目前的技術水平而言，這種方法很難實施或者沒有實用價值。因此，在目前的無刷DC永磁電機中，定子電樞采用與一般交流電機相似的三相繞組。通過轉子位置傳感器檢測轉子永磁磁場與定子電樞繞組三相軸的相對空間位置，通過邏輯信號處理和控制實現定子電樞三相繞組的電子換向。

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