大比特商务网 |资讯中心 |技术论坛 |解决方案 登录 注册 |电子刊 |招聘/求职
您的位置:微电机世界网 >>技术与应用 >>新闻

谈谈无刷直流电机

2020-10-27 13:54:38     来源:电机技术日参        

【大比特导读】在电动工具发展的前 100 年,设计和制造钻头、打磨机、磨床、螺丝刀、吹风机、锯等工具时,仅需一部电源、一台电机和一个开关/电位器。然而,在 20 世纪,高能量密度电池的出现改变了这一情况。此外,我们还看到了绿色能源解决方案的出现,以及将其融入所有设计形式中的趋势。

在过去的一个世纪中,电动工具有了长足进步。今天,它们更具备了无绳、轻巧的特性,由电池驱动且功能强大,分担了我们的大量工作。那么,是什么推动着电动工具的发展?除了电动工具爱好者外,很大程度上要归功于半导体技术的诸多进步——尤其对于无绳电动工具。

本篇博客涵盖了无绳、电池供电型产品的关键特性,包括促进其不断演进的因素及发展路途中的众多挑战;介绍了微处理器与无刷直流电机如何在改变我们今天所使用的电动工具中发挥了重要作用。此外,文章还探讨了电动工具中无刷直流电机的引入,及为制造商带来怎样的竞争优势。

电机

电动工具主要组件

电动工具的第一个组件是电源。所有电动工具都可以分为两大类:有绳和无绳。

有绳工具——电源为交流电,需要插入“墙壁”上的插座才能进行操作。

无绳工具——依靠存储在不同化学物质电池中的电能,例如镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NiMH)和锂离子(Li-Ion)。

锂离子电池由于其能量密度的增强以及保持电荷的弹性,而成为性能最为突出的电池类型。

第二个部件为执行器,或者是将电能转化为机械能的电机。这种电机可以是通用的 AC/DC 有刷电机、直流有刷电机或无刷直流(BLDC)电机。当今的许多工具已经转向三相 BLDC 电机拓扑结构。

最后,采用一个开关来控制电源到电机的能量传输。这个组件可以是简单的中断器,控制是否有电流流动;或者稍微复杂一点的器件,如允许用户指定多少能量从电源流向电机的电位计等。

电动工具的挑战

在电动工具发展的前 100 年,设计和制造钻头、打磨机、磨床、螺丝刀、吹风机、锯等工具时,仅需一部电源、一台电机和一个开关/电位器。然而,在 20 世纪,高能量密度电池的出现改变了这一情况。此外,我们还看到了绿色能源解决方案的出现,以及将其融入所有设计形式中的趋势。

我们所面临的挑战是如何继续使用电位计来控制工具的运转速度,而不必让高电流通过其电阻组件。正如我们稍后将看到的,这是一个相当简单的修复性举措。另一方面,事实证明电机是一个更具实质性且复杂的挑战。

在电动工具发展初期,所采用的电机要么是用于有绳工具的有刷通用 AC/DC 电机,要么是用于无绳工具的有刷直流电机,如下图所示。由于这两种电机本质的拓扑结构均为有刷电机,因此均通过碳刷将电流传递到铜质换向器,随后产生内部旋转磁场来获得运动。将电磁铁绕组与换向器一起放置于转子,永磁体放置在定子上,可以得到不断相互作用的两个磁场,从而实现我们所需要的运动。

不幸的是,这以电刷和换向器间的大量摩擦为代价。摩擦力相当剧烈,经过长时间的使用,电机会自行损坏;摩擦所产生的能量最终以热的形式被浪费。这部分能量的源头来自电源,却并没有产生任何有用功。据统计,围绕这种拓扑结构的系统效率低于 80%(在最佳情况下);这意味着电池内部 20% 的能量被用来产生热量。

当您尝试用电池供电的电钻打孔时,耗费 1/5 的电能来产生热量,听起来并不很吸引人。

采用 BLDC 电机拓扑应对挑战

鉴于以上所讨论的各种挑战,很明显,更换或拆卸电刷和换向器至关重要。如下图所示,这在三相 BLDC 电机拓扑结构中更为突出。BLDC 电机无需使用电刷或机械换向器就能为我们提供完全相同的旋转运动;与之相对,我们以电子方式产生旋转磁场。通过电子电路,我们可以创建两个相互作用的磁场以驱动电机运动。这样做的优点是消除了转子和定子组件间的摩擦,从而增加了可靠性与能效。

三相无刷直流电机的效率可高达 96%。这意味着我们的电池只会以热量的形式浪费 1/20 的电量。

如同所有设计一样,在采用 BLDC 电机时也存在一些挑战。有刷直流电机解决了使两个磁场对齐以获得最有效运动曲线的固有问题。当换向器序列的设计和放置方式使旋转磁场始终与永磁体的磁场保持一致时,便能实现这一目标。然而,由于 BLDC 电机不存在物理换向器,这一动作则通过换向逻辑顺序来完成。为达到前文提到的效率,我们必须使用如下图所示的控制电路,尽可能完美地对齐两个磁场。

此类复杂的电路可提取转子的位置,以电子方式对齐两个磁场。对于三相 BLDC 电机,此模块通常由微控制器和三相逆变器功率级组成,功率级采用霍尔传感器等传感器器件获取转子位置信息。添加此电路确实会占用一些空间并增加一定成本。但是,制造商注意到了摆脱束缚所带来的益处,而消费者也正对这类电机解决方案产生需求。因此,越来越多的电动工具设计基于三相 BLDC 电机的拓扑结构。

复杂的电动工具

现代电动工具仍由电源、电机执行器和控制能量流的装置(如电位计)组成。然而,为了提供所有的能量保存功能,我们需要为其添加智能技术。

这一智能由微处理器提供。有了微处理器,我们现在可以监控电源并提供所需的驱动。我们还可以监测电位计的值并控制电动机的速度,而无需使电流流过其电阻元件。我们通过模数转换器(ADC)来实现这一目标,且该过程中的能量消耗可以忽略不计。

无论怎样,微处理器最重要的作用在于构建一种有效机制,适当地为三相 BLDC 电机供电,以改进电池供电工具所需的效率。基于微控制器的功率级提供了所有工具,可以成功生成正确对齐的旋转磁场,并转化为最佳的运动曲线。

以下是实现大多数现代电动工具所需的项目列表:

一颗微处理器,为从电源到执行器这一能量转移过程提供智能;

一个驱动功率级开关(场效应晶体管—— FET)电路,用于产生旋转磁场;

一个提取电机转子位置的电路,以便我们能够正确地对齐旋转磁场;

一个 ADC,用于监控电池电压与电流、电机电流、电位器状态,和系统温度;

保护电路,以确保系统可靠运行,而不会危及用户或工具;

监控不同信号的电路,如定义电机旋转方向的开关;

不同的电压调节器为上述电路供电;

从开关和电机到上面的清单,很明显我们的电路规模已经大大增加。然而,新技术让我们可以将所有这些都装入一个小尺寸外形的方案中,这也是电机制造商青睐 BLDC 拓扑结构的另一个关键因素。

电动工具的下一波浪潮

BLDC 电机的制造和应用正加速发展,跟随技术的不断演进,这些电机将变得更加人性化、高效和可靠。由于电控 BLDC 电机的出现,工具变得更强大、更高效、尺寸更小、重量更轻。随着时间的推移,Qorvo 将持续推出类似 PAC5xxx 系列器件的创新产品,推动三相 BLDC 电机拓扑结构更进一步。

声明:转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益,请与我

们联系,我们将及时更正、删除,谢谢。

  • 赞一个(
    0
    )
  • 踩一下(
    0
    )
分享到:
阅读延展
直流电机 电机
  • 无刷直流电机那么好,为何还是有刷直流电机应用多?

    无刷直流电机那么好,为何还是有刷直流电机应用多?

    我们知道,无刷微型直流电机的转速高、噪音低、使用寿命长,而有刷微型直流电机与其相比就稍要逊色一些。但是有刷微型直流电机只要通入直流电就可运转,控制也非常简单,只需要加大或减小电压就可以控制。

  • 微型减速电机铁芯用硅钢片,居然还有这么多学问

    微型减速电机铁芯用硅钢片,居然还有这么多学问

    在微型减速电机中,铁心的磁导率的方向性和均匀性冷轧、热轧硅钢片有取向和无取向两种,为了满足微电机铁心对磁场分布各向同性的要求,微型减速电机或小型电机大多是采用无取向硅钢片(直径超过990mm的直流电机通常采用的是取向型硅钢片)。

  • 微电机控制详解,不同型号的直流微电机的控制方式

    微电机控制详解,不同型号的直流微电机的控制方式

    永磁直流微型电机它的结构比较简单,而且具有调速性能好的优点,也就是指微型直流电机在一定负载的条件下,根据需要,人为地改变微型电机的转速。直流电动机可以在重负载件下,实现均匀、平滑的无级调速,而且调速范围较宽。

  • 提高永磁直流电机的率密度,测试发现:这种结构的电机功率会更高

    提高永磁直流电机的率密度,测试发现:这种结构的电机功率会更高

    直流电机在高转速途径下,完整结构的小微型直流电机效率高,但是内转子结构的直流电机容易承受更高的转速,它的定子电负荷相对压力高,所以更容易实现超高的功率密度。

  • 空心杯直流电机有哪些类型

    空心杯直流电机有哪些类型

    空心杯直流有刷微电机采用机械换向,磁极不动,线圈旋转。电机工作时,线圈和换向器旋转,磁钢和碳刷不转,线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换向器和电刷来完成的。

  • 无刷直流电机(水泵)FOC、方波、正弦波控制

    无刷直流电机(水泵)FOC、方波、正弦波控制

    目前主要有三种:FOC(又称为矢量变频、磁场矢量定向控制)、方波控制(也称为梯形波控制、120°控制、6步换向控制)和正弦波控制。那么这3种控制方式都各有什么优缺点呢?

  • 珠海泰芯公司强势推出无感三零启动吊扇方案

    珠海泰芯公司强势推出无感三零启动吊扇方案

    在全球节能减排的背景下,珠海泰芯半导体有限公司推出了TXM2000系列直流无刷(BLDC)电机驱动应用系统解决方案。直流无刷(BLDC)电机具有高效率,高功率,高可靠性和低发热等特性和优点,符合国家的节能减排要求。

  • 电机对于电线电缆的性能要求

    电机对于电线电缆的性能要求

    电机产品用电缆与电机绕组本线连接后,要通过机座出现孔与接线板连接,对于低压大功率和高压电机,引线跨越零部件的数量可能会更多一些,因而对电缆的机械性能和绝缘性能要求更高一些,对电缆实施必要的防护措施也非常重要。

  • 电机整机产品同轴度控制要求和实现

    电机整机产品同轴度控制要求和实现

    我们今天从机械加工的角度分析电机的气隙不均匀问题。在前面的文章中我们谈了电机定子部分的同轴、转子部分、轴承系统、附加装置系统的独立同轴问题,但整机产品的同轴要求还必须由关联零部件的配合关系保证。

  • 芯旺微电子出席2020第十二届全球汽车产业峰会

    芯旺微电子出席2020第十二届全球汽车产业峰会

    芯旺微电子通过自主IP KungFu内核+MCU产品所构建的KungFu生态历经十余年的发展,已实现汽车电子领域全系列布局,可全方位覆盖车身控制、汽车照明、汽车电源与电机、智能座舱等领域。

  • 电机缺相故障的特征分析

    电机缺相故障的特征分析

    导致电机缺相的原因是电源本身问题或连接问题,可能是保险丝选择不当或压合不好,熔丝断开;开关接触不良;接头松动或断线。也有可能是电机有一相绕组断开。

  • 电机附加装置同轴度控制不好,对电机性能的不良影响有哪些?

    电机附加装置同轴度控制不好,对电机性能的不良影响有哪些?

    对于绕线式转子电机,一种结构是集电环在非驱动端轴承以外,即在电机轴向末端,另一种结构是集电环在非驱动端轴承以里,被安放在一个深端盖内。

微信

第一时间获取电子制造行业新鲜资讯和深度商业分析,请在微信公众账号中搜索“大比特商务网”或者“big-bit”,或用手机扫描左方二维码,即可获得大比特每日精华内容推送和最优搜索体验,并参与活动!

发表评论

  • 最新评论
  • 广告
  • 广告
  • 广告
广告
Copyright Big-Bit © 1999-2013 All Right Reserved 大比特资讯公司 版权所有      未经本网站书面特别授权,请勿转载或建立影像,违者依法追究相关法律责任