最全講解 | 無刷電機(jī)工作及控制原理

本文分享了無刷電機(jī)工作原理的相關(guān)知識，只要有高一物理知識的朋友就能夠看得懂，希望有興趣的朋友耐心往下看，相互學(xué)習(xí)~

基礎(chǔ)定則回顧

首先給大家復(fù)習(xí)幾個(gè)基礎(chǔ)定則：左手定則、右手定則、右手螺旋定則。

左手定則

這個(gè)是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)受力分析的基礎(chǔ)，簡單說就是磁場中的載流導(dǎo)體，會受到力的作用。讓磁感線穿過手掌正面，手指方向?yàn)殡娏鞣较颍竽粗阜较驗(yàn)楫a(chǎn)生磁力的方向。

左手定則示意圖

右手定則

這是產(chǎn)生感生電動(dòng)勢的基礎(chǔ)，跟左手定則的相反，磁場中的導(dǎo)體因受到力的牽引切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢。讓磁感線穿過掌心，大拇指方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向，手指方向?yàn)楫a(chǎn)生的電動(dòng)勢方向。

右手定則示意圖

為什么要講感生電動(dòng)勢呢？不知道大家有沒有類似的經(jīng)歷，把電機(jī)的三相線合在一起，用手去轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)會發(fā)現(xiàn)阻力非常大，這就是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)過程中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢，從而產(chǎn)生電流，磁場中電流流過導(dǎo)體又會產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力，大家就會感覺轉(zhuǎn)動(dòng)有很大的阻力。不信可以試試。

三相線分開，電機(jī)可以輕松轉(zhuǎn)動(dòng)

三相線合并，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)阻力非常大

右手螺旋定則

用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。這個(gè)定則是通電線圈判斷極性的基礎(chǔ)，紅色箭頭方向即為電流方向。

右手螺旋定則示意圖

看完了三大定則，我們接下來先看看電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基本原理。

直流電機(jī)模型

我們找到一個(gè)中學(xué)物理學(xué)過的直流電機(jī)的模型，通過磁回路分析法來進(jìn)行一個(gè)簡單的分析。

圖1 直流電機(jī)-狀態(tài)一

如圖1所示，當(dāng)兩頭的線圈通上電流時(shí)，根據(jù)右手螺旋定則，會產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B（如粗箭頭方向所示）；而中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致，以形成一個(gè)最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了。

當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場方向與外部磁場方向垂直時(shí)，轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩最大。注意這里說的是“力矩”最大，而不是“力”最大。誠然，在轉(zhuǎn)子磁場與外部磁場方向一致時(shí)，轉(zhuǎn)子所受磁力最大，但此時(shí)轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài)，力臂為0，當(dāng)然也就不會轉(zhuǎn)動(dòng)了。補(bǔ)充一句，力矩是力與力臂的乘積。其中一個(gè)為零，乘積就為零了。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，雖然不再受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用，但由于慣性原因，還會繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)若改變兩頭螺線管的電流方向，如圖2所示，轉(zhuǎn)子就會繼續(xù)順時(shí)針向前轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 直流電機(jī)-狀態(tài)二

如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內(nèi)轉(zhuǎn)子就會不停轉(zhuǎn)起來了。改變電流方向的這一動(dòng)作，就叫做換相。補(bǔ)充一句：何時(shí)換相只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，而與其他任何量無直接關(guān)系。

三相二級內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)

一般來說，定子的三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”最為常用，這里就用該模型來做個(gè)簡單分析。

圖3 三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式

圖3顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式（轉(zhuǎn)子未畫出假想是個(gè)二極磁鐵），三個(gè)繞組通過中心的連接點(diǎn)以“Y”型的方式被聯(lián)結(jié)在一起。整個(gè)電機(jī)就引出三根線A、B、C。當(dāng)它們之間兩兩通電時(shí)，有6種情況，分別是AB、AC、BC、BA、CA、CB。注意這是有順序的。

圖4 第一階段：AB相通電情形

如圖4所示，當(dāng)AB相通電，則A極線圈產(chǎn)生的磁感線方向如紅色箭頭所示，B極產(chǎn)生的磁感線方向如藍(lán)色箭頭所示，那么產(chǎn)生的合力方向即為綠色箭頭所示。假設(shè)其中有一個(gè)二極磁鐵，根據(jù)“中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”，則N極方向會與綠色箭頭所示方向重合。至于C，暫時(shí)沒它什么事。

圖5 第二、三、四階段

為了節(jié)省篇幅，我們就不一一描述CA、CB的模型，大家可以自己類推一下。以下為中間磁鐵（轉(zhuǎn)子）的狀態(tài)圖，如圖6所示。

圖6 中間磁鐵（轉(zhuǎn)子）狀態(tài)圖

每個(gè)過程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度，如圖7所示。

圖7

六個(gè)過程即完成了完整的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中6次換相。