一種永磁無刷直流電動機的研制
戴白刃
(常州信息職業技術學院，江蘇常州213164)
摘要：研制的永磁無刷直流電動機其結構及工作原理獨特，控制電路與電機集于一體，控制方法靈活簡單，實現了調速、過流、過壓、過熱保護等功能，具有高效、安全、可靠等特點。
關鍵詞：無刷直流電動機；結構；單片機；控制電路；控制軟件
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)05—0014—02
1無刷直流電動機結構
我們研制的永磁無刷直流電動機的結構如圖l所示。它是一種外轉子結構的電機，在其外轉子內嵌入三對(六個)徑向瓦形磁極。N極、s極間隔分布，對應的定子電樞鐵心也設計為六齒，并且齒的外形被設計成不對稱的特殊形狀。
六個電樞繞組串聯在一起(事實上由一根導線繞制而成)，但相鄰兩個繞組的線圈繞制方向是不同的。即一個繞組的線圈按順時針方向繞制，接下來一個繞組的線圈就按逆時針方向繞制，再接下來一個繞組的線圈又按順時針方向繞制，即三個間隔的繞組線圈繞制的方向一致。
在鐵心某一齒的邊緣的適當位置安裝一個磁感應位置傳感器，以確定該傳感器位置對應的徑向方向是N極還是s極磁場。
電機控制部分被設計安裝在電機內部，與電機形成一體。只要外加直流電源，電機就可以運行。電機外觀簡潔，使用方便。
2工作原理
按照無刷直流電動機的結構，轉子磁鋼在氣隙中形成磁場，并且由于定子鐵心齒的外形為不對稱的特殊形狀，因此電機在不加電流時，外轉子相對靜止，外轉子的磁極軸線與定子鐵心齒的軸線不重合，形成一個固定的夾角α，霍爾傳感器對應的徑向方向不是N極就是s極磁場，也使得鐵心齒上的繞組兩邊，一邊完全處在外轉子某一磁極下，另一邊則處在相反磁極下。另外，相對于電機外轉子和定子上的霍爾傳感器的位置而言，只有六個靜止點(三點對應N極磁場，三點對應s極磁場)，且每點相距60。。
根據霍爾傳感器的位置，控制器給電樞繞組加某一方向的電流，將產生一個作用于該導體的電磁力(由于同一電樞繞組的兩邊是在不同的磁場中，且電流方向不同，因此受到電磁力的方向是一致的)，由于繞組線圈在定子上，故外轉子受到了一個反作用力，即電磁力對外轉子中心軸形成一個力矩，迫使外轉子圍繞中心軸線旋轉。當外轉子旋轉了一定的角度，在齒軸線和下一個磁極軸線重合以前，切斷電樞繞組中的電流，使外轉子受慣性及轉子本身磁場的作用繼續朝同一方向(也就是下一靜止點方向)轉動，當轉到靜止點時，霍爾信號發生變化，控制器再立即給電樞繞組加另一方向的電流，此時對應的外轉子磁極也發生了變化，使外轉子繼續圍繞中心軸線旋轉。
此外，為了控制電機的轉速，只要控制流過電樞電流的大小和時間即可。
3特點
根據這種電機的結構及工作原理，我們可以得出:
(1)電機工作時，所有電樞繞組始終流過電流，而死區時問可調整到很短，當電流5A時效率達百分之83。
(2)控制電路簡單，所用器件少。由于這種電機的特殊結構，只需一只位置傳感器，而功率開關晶體管也只需兩對(四只)。而且如果需要，電樞及外轉子的磁極可成對增加，但所需位置傳感器及功率開關晶體管無需增加。
(3)控制、驅動電路在電機內部，整個電機體積并不太大。當功率為240 w時，電機的尺寸為直徑90 mm，高85 mm。
(4)根據需要可方便地調速。
4控制電路
永磁無刷直流電動機的控制電路由單片機、功率開關晶體管、驅動電路及傳感器等組成，主要實現了換向與調速兩個功能。圖2是控制電路的主要邏輯圖。P1、P2分別連接電樞。
4.1換向
為了使電樞繞組中的電流按一定的邏輯不斷改變電流方向，單片機首先依據霍爾傳感器的信號控制打開某對功率晶體管。假如，先打開功率晶體管Q1及功率晶體管Q2，使電流從P1流人P2流出，當外轉子旋轉了一定的角度時，單片機控制電路關斷Ql及Q2，使電樞中瞬 |
