无刷直流电机原理图

无刷直流电机原理图

直流电机是利用碳刷实现换向的。由于碳刷存在摩擦�使得电刷乃至电机的寿命减短。同时�电刷在高速运转过程中会产生火花�还会对周围的电子线路形成干扰。为此�人们发明了一种无需碳刷的直流电机�通常也称作无刷电机�b r u s h l e s s m o t o r�。

无刷电机将绕组作为定子�而永久磁铁作为转子�如图7��结构上与有刷电机正好相反。无刷电机采用电子线路切换绕组的通电顺序�产生旋转磁场�推动转子做旋转运动。

无刷电机由于没有碳刷�无需维护寿命长�速度调节精度高。因此�无刷电机正在迅速取代传统的有刷电机�带变频技术的家用电器�如变频空调、变频电冰箱等�就是使用了无刷电机�目前散热风扇中几乎全部使用无刷电机。

变频电机工作原理

图�a�是拆开的风扇电机的照片�风扇采用的是变频电机�这从线圈所在的位置就可以辨认出来。图�b�是变频

电机控制电路板�控制芯片将集D S P功能与驱动器于一体�简化了电路结构。通过对控制芯片编程�可改变电机

转速。

电机的构造

变频电机具有直流电机特性、却采用交流电机的结构。也就是说�虽然外部接入的是直流电�却采用直流-交流

变压变频器控制技术�电机本体完全按照交流电机的原理去工作的。因此�变频电机也叫“自控变频同步电机”�电

动机的转速n取决于控制器的所设定的频率f。

图是三相星形接法的变频电机控制电路�直流供电经M O S管组成的三相变流电路向电机的三个绕组分时供电。

每一时刻�三对绕组中仅有一对绕组中有电流通过�产生一个磁场�接着停止向这对绕组供电�而给相邻的另一对

绕组供电�这样定子中的磁场轴线在空间转动了120°�转子受到磁力的作用跟随定子磁场作120°旋转。将电压依

次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上�定子中便形成旋转磁场�于是电机连续转动。

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2008-6-2723:41

T O P 变频电机的电路组成

为了对风扇电机的运行状况进行监控�需要从风扇电机向主板输出速度信号�实现风扇运行情况的监控。监控电路用来显示风扇转速�并可实现报警和电脑的自动停机�以防止因风扇停转而烧毁C P U或其它器件的情况出现。现在变频电机普遍采用集成功率器件来实现这一功能�使控制线路大为简化。

为了实现精确控制效果�必须向集成功率器件输入反映转子位置的信号�因此变频电机必须具有电机位置反馈机制。目前通常使用霍尔元件或和光电传感器两种手段进行位置和转速检测。

霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器�霍尔效应是美国科学家爱德文·霍尔于1879年发现的。目前�使用霍尔效应的磁传感器产品已得到广泛的应用。

图为霍尔效应原理图。在一块通电的半导体薄片上�加上和片子表面垂直的磁场B�在薄片的横向两

侧会出现一个电压�图中的V h称为霍尔电压�。

变频电机利用霍尔器件测量转子的相对位置�所获得的信号输入到控制芯片中�驱动电机旋转。同时�还可将该信号通过主板输出�作为测速信号使用

可谓一箭双雕。由于换向脉冲为方波信号�在主板上经过简单处理便可输送给主板进行显示和控制。由于电机的相数一般在2个以上�换向信号的频率为电机的转速的若干倍�因此�如果利用换向脉冲作为测速信号�必须经过除法运算才能得到真实的电机转速。

图为霍尔锁定型开关电路C S2018构成的无刷电机控制电路�C S2018内部集成了霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级等�它可直接驱动小功率的电机绕组。

图用C S2018霍尔开关锁定电路直接驱动电机

有些风扇采用光电传感器来检测风扇的速度�具体做法是�在电动机转子上设置一个遮光板�这样电机每转过一圈�遮光板就会将发光二极管照射到光敏管上的光线阻断一次�光敏管的集电极上电压改变一次�这样便可得到反映电机转速的脉冲信号

从上面的介绍可以看出�利用霍尔传感器和光电传感器所得到的测速信号是有区别的。利用光电传感器测速�速度信号的频率与电机转速相同�而利用霍尔器件输出的换向信号作为测速信号时�两者相差

若干倍�如果是两相电机�换向信号的频率为转速的2倍�三相电机中换向信号的频率则是转速的3倍。在这里�B I O S中显示的速度是不是真实的风扇转速�在使用中务必请大家注意�

风扇转速调节方法

直流电机调速方式有两种�调压调速和调频调速。采用有刷电机的普通风扇可以通过调压方式改变

转速�而采用变频电机的风扇�只能通过调频方式进行调速。

对于有刷电机来说�改变供电电压�则是改变转子绕组中电流从而改变磁场强度和转矩�电机的

转速随着转矩的增加而升高�随着转矩的减小而降低。这种电机在负载阻力增大时�电机的转速会

随之下降。要想在荷载变化时维持转速不变�必须采用闭环控制�通过速度负反馈来实现�因此控

制电路比较复杂。

下图是一个实用的有刷电机控制方案�它是利用M I C501专用芯片为核心结合一些外围元件实现的。

和上图所示的无刷电机控制电路进行一个简单的比较�便可发现两者电路结构的明显区别。

在有刷电机电路中�电机主回路中与功率晶体管V T串联�V T的作用相当于一个可变电阻�芯片7

脚输出的信号通过基极电阻R b与其基极相连�对V T的导通程度进行控制�电机转速随V T的导通程

度的变化而变化。V T截止时�电机停转�V T饱和导通时�电机全速�F u l l S p e e d�旋转。图中T1

为热敏电阻�接入控制芯片的第一个控制端V T1�实现转速-温度自动控制

由于有刷电机的转速受到荷载大小的影响�采用这种电机的风扇在使用过程中容易因为灰尘和润

滑不良等因素造成转速下降甚至停转�对C P U等昂贵部件的安全构成威胁。在电脑故障中�因为风

扇转速下降导致的电脑死机、蓝屏和重启动等故障经常发生�其中也有因风扇停转而导致芯片烧毁

的案例。

变频电机则很少出现这些问题�因为其转速只与所设定的频率有关�而与载荷和供电电压无关�

无需转速反馈控制�即可实现恒定转速�因此风扇运转的稳定性和可靠性大大增强。

读到此处�细心的读者也许要问�金星12型风扇配件中用来调速的旋钮是一个电位器�如图14��

难道这款风扇采用了技术落后的有刷电机而不是变频电机吗�因为有刷电机通常通过调节串联电阻

来调节供电电压�以实现转速调整�调节电阻阻值实际上就是调节供电电压。