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单相无刷直流电动机和驱动控制器
2014年5月13日
单相无刷直流电动机和驱动控制器
摘要:介绍双极性单相无刷直流电动机的结构、工作原理和驱动控制器.电磁计算的主要公式.样机的试验结果。
关键词:单相无刷直流电动机;驱动控制器;位置传感器
l  概  述
    永磁无刷直流电动机是一种机电一体化产品,集机械、电子、计算机技术、新材料为一体,并与驱动控制器一起运行,具有噪声低、效率高、寿命长、可靠性高等优点。它与有刷直流电动机相比,取消了电刷和换向器,消除了无线电干扰,提高了效率。
    新的一代家用电器要求节能、舒适、网络化、智能化。例如,对冰箱、空调器用压缩机电动机、风扇电动机、洗衣机用电动机需要进行更新换代,采用永磁无刷直流电动机来取代常用的异步电动机。
    本文介绍排气风扇用小功率单相无刷直流电动机,可以取代单相异步电动机,其电流是从整机的控制器直流电源中获得。主要技术数据如下:
    额定电压:24V
    输出功率:7W
    起动电压:>6.5V
    转速:3 200r/min
    转向:从传动端看为顺时针
    过流保护:8A,2s
2单相无刷直流电动机
    双极性单相无刷直流电动机的结构为:转子由铁氧体永磁材料的4极环形磁钢组成;定子铁心有4槽、嵌有4组集中绕组,相邻绕组反接,串联连接;安装于机壳侧端的位置传感器沿电枢槽中心线伸入到转子磁极上。
    图1a、b分别为不同N、S极位置时电机工作原理图。
 
图l  电机上作原理图
     图1a所示转子磁极的位置、定子绕组电流方向,相邻两绕组的磁动势相位相差180°。绕组反接后,将使串联的绕组电流是同相位。永磁转子产生梯形气隙磁场波形,通入恒量电流的定子绕组也产生梯形气隙磁场波形,相互作用产生恒量的力矩,永磁转子将产生顺时针方向的电磁转矩,电磁转矩的大小与电流有关,力矩作用范围O<αm<丌电角度,αm是磁状态角。当永磁转子旋转90°,定子绕组电流方向变为反向,如图1b所示,永磁转子仍将产生顺时针方向的电磁转矩,力矩作用范围π<αm<2丌电角度。根据位置检测器的N、S极信号轮换给定子绕组正、反向180°电角度通电,永磁转子会在顺时针方向的电磁力矩作用下连续顺时针旋转。定子绕组在气隙中形成了以180°电角度跳跃变化的磁动势矢量.与永磁转子磁动势一起带动永磁转子,使之与定子磁动势以相同转速旋转。
    单相无刷直流电动机起动和运行时存在死点问题。由于凸极磁阻转矩的存在,转子磁极中心线将被定位口α=O或αm=nπ电角度(n=1、2、3)的位置,即机械角度0、π/2、π、3π/2的4个位置,电动机将因无电磁转矩而无法起动。采用不均匀气隙,如图2所示,定子冲片齿端有一凸台,造成磁极中心线两侧气隙磁阻不相等,有凸台侧气隙磁阻小。使无电状态下,磁路对称中心线偏离0°的位置,在磁阻力矩作用下,向凸台侧偏移θ角度,即电枢磁场与磁极磁场中心线有夹角θ,永磁转子的N极中心线将停在口角附近.当定子绕组通电时,将产生起动电磁力矩.
     永磁转子在电磁力矩作用下.作顺时针方向旋转,当旋转到π/2附近,在磁阻力矩作用下,永磁转子向π/2+θ处旋转,此时,定子绕组电流已反向,产生顺时针方向的电磁力矩,使电动机保持顺时针方向连续旋转。因此,解决了单相无刷直流电动机起动和运行时存在死点问题。
 
 
图2  电枢冲片局剖视图
    起动时,当电动机外旋电压大于6.5V时,某2个功率晶体管导通,并控制定子绕组电流,使转子转到一个预知位置;接着,电动机加速,逐渐提高电动机外施电压至24V,电动机在不失步的前提下,转子转速也逐渐提高;电动机加速到足够高速度时,用永磁转子的磁极位置信号代替同步信号后,也就是电动机运行状态的切换,达到额定转速状态。
3驱动控制器
驱动控制器的设计要求运行可靠、结构简单、成本低。该电路主要由单相双极性控制电路、位置控制驱动电路、过流保护元件等组成,如图3所示。
 
3驱动控制电路原理图
 
电动机电枢绕组梯形波电流的通电时刻与磁动势波形、转子磁极位置有严格的对应关系,否则将产生较大的转矩脉动。霍尔元件位置传感器检测永磁转子磁极相对电枢绕组的位置,在确定的位置发出位置传感信号,将信号放大处理后,便可控制相应的、功率开关元件控制电路。当永磁转子转动时。霍尔元件敏感转子不同的N,S极性,由集成电路模块输送出不同的高、低电平信号。当转子N极中心线处于图1a位置时,集成电路模块输出高电平使功率晶体管T2、T3在0~7π电角度导通,电枢绕组AX通电,人为+、X为一,在AX方向电流与转子磁极磁场作用下产生电磁转矩,转子顺时针方向旋转90°,相当180。电角度,转子N极中心线处于图1b位置时,集成电路模块输出低电平,使功率晶体管T2、T3截止,功率晶体管T1、T4在π~2π电角度导通,电枢绕组A×反向通电,X为+,A为一,在XA方向电流与转子磁极磁场作用下产生电磁转矩,转子顺时针方向旋转90°。周而复始,保证了电动机顺时针方向旋转。
    驱动控制电路中,使用单片集成电路模块ULN2003AN,该控制电路包括换流逻辑、输出驱动电路等。电阻R决定功率晶体管导通的基极电流。电容C有滤波、稳压功能。集成电路模块KIP7805P是三端电压稳压器。
    过流保护采用自复保险丝PSM,对电动机堵转、电枢绕组短路等故障进行限流、过热保护。自复保险丝是高分子复合物的正温度系数的热敏电阻器。可重复使用而无需更换,且体积小,易安装。双金属断路保护器能自动复原,但是它在故障仍然存在的情况下也能回复。而自复保险丝的初始电阻值,对故障的反应时间及外形尺寸等均优于陶瓷PTC器件。自复保险丝动作的速度与所选元件的参数、异常电流的大小及环境温度的高低有关,温度越高,电
流越大,则动作时间越快。
4电磁计算、试验
    总体方案设计应兼顾无刷直流电动机和驱动控制器的性能要求。电动机的电磁计算首先要进行:把输入给驱动控制器的电压、电流换算成输入给电动机的电压、电流,这对单相无刷直流电动机较简单。主要电磁计算公式:
 
 
 
5  结  语
     单相无刷直流电动机的电磁计算特点:永磁体和电枢集中绕组产生梯形波气隙磁密,不同正弦波气隙磁密的计算;定子冲片齿端凸台造成气隙磁通量增加,应满足电枢磁场与磁极磁场中心线夹角θ大于4°;单相电动机的压降系数、漏磁系数比三相电动机大。反接串联的电枢绕组比二组绕组轮流通电的单相无刷直流电动机可获得更高的效率。对小型驱动控制器,可选用功能更多的单片集成电路模块,例如,UDN3626M适用于24V电压,工作电流小于0.4A,它包括了霍尔传感器、过流保护电路等。外转子式单相无刷直流电动机也可采用齿端凸台的不均匀气隙。随着单片集成电路模块功能提高、价格降低,电动机规格增加,使更多的无刷直流电动机应用在家用电器领域。
 
 
 
 
 
   
 
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