无刷直流电机:如何通过 6 通道换向编码器实现最佳效率

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在现今需要高强度伺服电机应用的电脑数值控制工具(数控机床)、电梯以及中到大型工业自动化设备中,对于电源效率、转矩、轴向振动和抗噪声能力的要求已经成为控制系统和编码器的主要设计考量。因此,永磁同步电动机(PMSM,Permanent Magnet Synchronous Motors),特别是无刷直流电机(BLDC,Brushless DC motors)的制造商,无不持续寻找可以通过更高速度提供更佳精确度的编码器解决方案,并且可以稳健地在环境中运行。

 

为了满足这一需求,对6通道换向编码器进行了改进,使之达到250kHz的频率响应、更灵活的极对数,并采用可处理轴向振动问题的特殊锥形轴设计,以及带来屏蔽接地以支持苛刻工作条件要求的额外电子电路。

 

无刷直流电机介绍
无刷直流电机由两个主要部分组成,分别为转子和定子。其中,转子为永磁式磁铁,定子则由以120°电子角分离,缠绕在软金属的电枢绕组构成。系统的驱动电路提供流经定子绕组的相位电流,这个动作产生了可以推动转子的不同相位磁场,在本篇文章的讨论中将把这些相位分别命名为U、V和W。典型的闭环反馈系统如图1所示。

图1 BLDC无刷直流电机闭环反馈系统的基本框图
 

增加转子中的极对数可以提高电动机的极对数,极对数的增加可以通过选择正确的磁性材料或加大转子的直径达成。 
 
对于直接驱动转矩电动机,转矩速度比必须平坦,要维持稳定的转矩,也就是把转子的纹波保持在最低,转子中的极对数必须够高,因此,在实际应用中通常使用8、10、20甚至高达30个极对数,这也逐渐成为这类型电动机应用的常见配置。

无刷直流电机的应用要求
无刷直流电机在工业界中广泛使用,高强度工业应用,如研磨、搪磨和铣削过程的数值机床,就需要最小纹波的稳定转矩;然而在中大型工业应用中,如金属和木材加工机械,转矩控制和负载刚度就成为关键的考量。另一方面,对于电梯用的牵引电动机,稳定的转矩/速度比则是主要的考虑因素。

如果需要更高的转距和效率,或更稳定平稳的驱动,也就是降低转矩纹波,无刷直流电机的极对数就必须随着转矩一同提高。通常,高转矩电动机搭配强大的稀土磁体,像钕铁硼(Nd-Fe-B),电动机直径较大,可以加入较多极对数以及相对短许多的极对长度。作为示例,1m直径和6英寸长的极对就经常应用在电梯驱动系统中。

对于高强度应用以及中到大型工业自动化设备,电动机转距就成为考量的关键因素,通常,用来改善功率因数、效率和电动机转矩大小的方法是提高转子的极对数和定子的绕组。

 

 

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