直流無刷電機結構類型與驅動結構參數

目前停車行業，大多數設備均采用直流無刷電機，下面智慧停車網介紹下關于直流無刷電機的常見參數：

直流無刷電機（簡稱為 BLDC 電機）——盡管名謂“直流”——實際上是一種三相電流同步電機：轉子跟隨旋轉磁場運轉，其運動與施加在繞組上的交流電壓同步。 這種電機類型之所以通常被稱為“無刷直流電機”是因為，在許多應用中，該電機可以替換有刷直流電機（有刷直流或換向器式電機）。在有刷直流電機中，施加直流電壓后，電機中的機械逆變器（電刷）會產生與轉速無關的交流電。

配合電子驅動控制器（取代電刷的功能并將饋入的直流電轉換為交流電），BLDC 電機可以實現與有刷直流電機相當的性能，而無需使用壽命有限的電刷。 因此，BLDC 電機也被稱為 EC（電子換向）電機，以便與包含電刷的機械換向電機進行區分。

另外一個經常使用的術語是 PMSM，其中文全稱是“永久磁鐵型同步電機”。這里的“永久磁鐵”用于與其他同步電機進行區分：其他同步電機依靠轉子上的勵磁繞組運轉，而 BLDC 則處于永久勵磁狀態。換而言之，即使不給定子通電，電機轉子也會通過永久磁鐵產生磁場。 

為了用于區分帶有正弦感應電壓（反電動勢）的 PMSM 電機和帶梯形感應電壓的 BLDC 電機（見下文），PMSM 和 BLDC 這兩個術語通常會并列出現?，F在的大多數 BLDC 電機都具有正弦反電動勢。

1.結構/類型

大部分 BLDC 電機是“內轉子電機”，其定子帶有線圈，固定不動；中間的轉子則在轉軸上永久磁鐵的作用下旋轉。而在“外轉子電機”中，定子位于內側，轉子包括一個在外部旋轉的鐘形外殼，磁體安裝在該外殼上。內轉子電機的優勢在于轉子的轉動慣量低，散熱非?？?。相反，在外轉子電機中，由于存在轉子外殼和磁體，發熱線圈與環境隔絕，散熱相對較慢。由于轉子的轉動慣量轉矩很大且很難控制轉子外殼的平衡，所以外轉子電機不適用于旋轉速度很高的模式。因此，內轉子電機在大多數工業應用中廣泛使用。外轉子電機在大批量生產應用中具有較大優勢，因為這種模式可以降低生產成本。外轉子電機也可以擁有更短的結構并通常具備更小的停轉轉矩，而由于在相同的磁力下，它的轉子直徑更大，因此其轉矩也更大。這兩種電機通常都設計成三相電機。不過，也有使用單相或兩相的設計。在下文中，將只分析三相 BLDC 電機，因為 Nanotec 只生產三相電機產品。內轉子電機和外轉子電機均使用齒槽繞組，繞組線纏繞在定子極靴上（鐵芯），這樣繞組的磁場線就可以流出并匯聚成確定形狀。為了讓渦流的電流損失降至最低，定子由相互抵消的薄絕緣金屬板制成。對非常小的電機來說，內轉子中一種非常重要的特殊設計形式就是無齒槽 BLDC 電機。它的定子僅由環狀金屬板構成，內部附著一個粘連或封裝的扁平繞組。因為沒有鐵芯，電機的電感非常低，而且繞組的電流增長非?？?。此外，鐵損大幅減少，所以電機具有更高的效率等級。在慢速運行中，缺少轉矩波動可以帶來正面效應。與標準 BLDC 電機不同，極的磁場沒有增強，因此沒有齒槽轉矩。這種設計類型對直徑小于 40 mm 的電機來說非常重要，因為其功率密度相比有齒槽電機大幅提升。這是由于，因為生產關系，有齒槽電機中繞組之間有很大部分的定子都是空的。而在無齒槽電機中，這個安裝空間可以完全填滿銅繞組。電機的直徑越小，無齒槽電機展現出來的優勢就越大。

2.驅動控制器/換向

BLDC 電機旋轉是由于轉子上的永久磁鐵試圖調整自身方向，以便與定子電磁鐵產生的磁場保持一致。在此過程中，兩個磁場之間呈直角時轉矩最大。驅動控制器的類型可分為兩類：繞組通電方式（塊狀或正弦），或確定轉子位置方式。確定轉子位置的必要性在于，繞組中的電流必須定時切換來保證定子磁場與轉子磁場一直處于垂直狀態，也就是，按照所需的轉速不斷旋轉。

2.1 塊換向

轉子位置可以通過電機中的霍爾傳感器輕松確定。在必須切換繞組時，它們可以通過轉子上適當對齊的磁體進行切換。這三個繞組對應三個霍爾傳感器；傳感器的狀態決定了繞組的連接方式。如果三個繞組采用數字方式切換，也就是繞組中沒有電流或全電流，即可稱之為塊換向。從技術上來說，霍爾傳感器和塊換向組合是驅動 BLDC 電機的最簡單方法。這種技術的劣勢在于，由于切換過程不連續，定子磁場并非總是與轉子磁場呈直角排列。這是由于定子磁場對齊角度一直保持在 60°，而轉子會持續轉向下一個切換點?；魻杺鞲衅鞯亩ㄎ淮_保定子磁場在兩個切換點中間時保持垂直，這會在切換點上造成 30° 的相角誤差。其結果是轉矩降低 13.4%（1 - 余弦 [30°]）。這樣，在塊換向中，會產生以此為峰值的轉矩波動，其頻率為電機電動旋轉頻率的六倍。這會引發振動和噪音；低速下尤其如此，電機不會始終均勻地旋轉。因此，塊換向不適用于電機必須（至少是間歇性）緩慢轉動的情形（大約低于額定速度的 10%）。平均而言，轉矩波動會引發大約 4.5% 的轉矩損失，以及一個與熱等效、最佳通電繞組相比相對惡化的效率因數。

2.2 正弦換向

通電的理想形式是正弦換向，這樣電機的每個繞組都由一個 120° 正弦波供電，從而產生強度恒定并持續旋轉的定子磁場。一般來說，如果只有霍爾傳感器可以確定轉子位置，也可以將正弦換向用到切換點之間的插值中。大多數情況下，這會直接地顯著改善電機的工作性能。但是，如果兩個霍爾傳感器之間的負荷發生變動，正弦波無法調整，則將引發磁場定位錯誤。只有在收到下一個霍爾傳感器信號時才能糾正偏差。因此，理想狀態下，正弦換向需要更高的解析設備來確定轉子位置。一般來說，這其中要包括一個用于確定轉子位置的光學或磁性編碼器，該編碼器應在任何時間都能保證足夠精度并可相應地調整電流。

2.3 磁場定向控制

有時，磁場定向控制和正弦換向控制不可等同；雖然兩個術語?？梢該Q用。之所以可以換用是因為正弦換向（如上文所述）能夠最佳地控制定子磁場。如果不考慮電流控制器自身的一些功能限制，正弦換向與磁場定向控制的差異并不明顯。但前提是我們假設電流控制器能以足夠快的速度產生正弦電流并將其輸入到繞組中。因為在正弦換向中，電流的值（由轉矩控制回路決定）和繞組電流控制這兩項任務需要分開處理，或者由獨立控制器分別執行。但在這種情況下，隨著轉速的增加，繞組電流控制器會接收到改變頻率越來越快的電流值。與此同時，來自電機的反電勢的影響越來越大，必須進行補償。但是電流控制器的處理帶寬是有上限的，隨著速度的不斷加快，電流可能出現相移或畸變，導致定子磁場與轉子不再相互垂直。而磁場定向控制可以通過直接控制轉子旋轉坐標系統中的電流矢量來解決這一問題。在這一過程中，三相被測電流通過 Clark-Park 轉換變為轉子的雙軸坐標系統。轉矩值不會再像正弦換向那樣，先被轉換成電流值，然后分別控制繞組；而是由轉子電流電平和磁場方向構成的坐標系統同時對其進行控制。然后，再計算得出單個繞組的電流（通過逆向 Clark-Park 轉換）。使用這種方法，可以確?？刂七^程與頻率無關聯，無論轉速多高，始終能生成最優正弦電流。

2.4 無傳感器控制

無傳感器控制并非另一種控制程序，而是在沒有傳感器（例如霍爾傳感器、編碼器）的情況下對轉子位置進行定位的一種統稱。無傳感器控制大致可分為兩類：簡單的無傳感器控制器，在相應的未通電繞組中直接測量反電勢。與標準驅動相比，這種方法對硬件有特殊要求，并且當電機轉速低于額定值約 20% 的時候，由于測量信號太弱，功能會不穩定。此外，這種方法必須配合塊換向才能正常運行，因為在正弦換向中，所有三個線圈是同時通電的。較為復雜的解決方案則基于一種“監測規則”，其中無法直接測量的值，例如速度或者反電勢，根據電流控制器測量的其他值重現。這類設備的核心是一種極為精確的電機模型，它與實際的電機同時根據已知輸入值（例如設定的 PWM）計算那些被測量的值，例如繞組的電流電平。在每個周期中，計算所得值都會與測量值進行對比。由于這種方法存在不可避免的觀測誤差，因此電機模型的內部值會不斷自我調節。針對沒有經過實際測量的值，例如速度，則會采用一種更為正確的估測方法。雖然這種方法的原理是基于一個速度函數（感應電壓反映了繞組的變化），但在低速下能很好地獲取速度值。結果是產生了一種可以獲得位置和速度信息的“虛擬編碼器”，該編碼器在速度達到一定值時開始工作，準確率等同于現實中的光學編碼器或磁性編碼器。這種控制方法下的反電勢不一定要直接測量；此方法還可以和正弦換向或磁場定向控制結合運用。這兩種無傳感器控制方式的共同點是當電機處于靜止狀態時，兩者都無法獲得轉子位置，因而需要一種特殊的啟動方法。與步進電機類似的是，當電機在控制模式下運轉多個換向周期直到獲得一定速度后，無傳感器測量便能夠確定轉子位置。

3.重要參數

空載轉速 電機的最大空載轉速，主要由電壓常量確定

空載電流 怠速狀態下的電流（克服摩擦所需的必要耗能）

額定轉速/額定轉矩 額定工作點

峰值轉矩 瞬間達到的轉矩，通常是 3 倍額定轉矩持續約 5s，并大量發熱 => I2T

轉矩常數 (Nm/A) 表示轉矩和電流的關系

電壓常數 (V/krpm) 每次旋轉的感應反電勢