外轉子型直流無刷電機及其控制系統分析

吳永紅

[摘? ? 要]直流無刷電動機是一種以電子換向器技術為基礎而設計的電機類型，在結構設計上具有一定特殊性，不需要進行電刷設計，因此可以較為方便地進行制造。但是在后續的使用上，存在著一定的問題。文章主要基于當下各行業使用的電機以及控制系統進行相應的分析以及闡述。

[關鍵詞]無刷電機;控制系統;調速平滑性;調節供電壓;磨損

[中圖分類號]TM32 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）04–00–03

Analysis of External Rotor Brushless DC Motor and Its Control System

Wu Yong-hong

[Abstract]Brushless DC motor is a type of motor designed based on electronic commutator technology. Such an AC motor has certain particularity in structural design and does not need brush design， so it can be manufactured more conveniently. However， there are some problems in the subsequent use. In the analysis of this paper， the corresponding analysis and elaboration are mainly based on the motors and control systems used in various industries.

[Keywords]brushless motor; control system; smoothness of speed regulation; adjust the supply voltage; abrasion

由于直流電機在設計的過程中，往往采用的是直線型設計方式，因此需要在控制的過程中，始終保持較為平滑的運行方式，從而起到增大轉矩的調節供電壓的效果，這樣就可以基于特定的比例線性，調節電機的轉速。在直流電機的操作過程中，會產生一定的電火花，同時也可以很好地調節電機的實際轉速。

1 研究背景

在現階段直流電機的使用過程中，首先可以很好地起到調速效果，另外也可以對其啟動特性的優化起到良好的效果。因此，現階段在諸多的驅動裝置以及伺服系統中，得到了較為普遍的應用。在一些傳統的直流電機當中，需要設計電刷或者換向器，這樣就會導致滑動機械接觸較為嚴重，進而對系統的整體穩定性以及性能，造成了直接的影響。甚至會導致系統在實際的運行過程中，出現一些無線電干擾，從而降低電機整體壽命。在現階段換向器電刷裝置的使用過程中，經常受到轉向器電刷裝置的影響，不僅結構上較為復雜，同時裝置在后續的維護上也較為困難。

隨著電子技術的發展與進步，使市場中出現了大量不同類型的電子器件，特別是出現的一些直流無刷電機，可以很好地利用電子開關或利用位置傳感器的方式，充分發揮自身的性能，保障后續進行運行的過程中，設備能夠始終保持合理的轉速以及較高的運行效率。該設備在轉速上，并不會受到機械換向問題的影響，同時所使用的高速轉軸，可以穩定的高速運轉。在當下，直流無刷電機，已經得到了較為穩定的運行與使用。直流無刷電機也在逐漸與電子線路、電機融合發展，現今已經將大量現金的電子技術，應用到電機領域當中，以此形成較快的發展速度[1]。

2 直流無刷電機的基本結構

在直流無刷電機的結構設計上，基本上與電機結構與永磁同步電機基本相同，同時轉子也是有永磁材料所支撐的極對數永磁體，但是并不會使用鼠籠繞組，或者使用其他類型的啟動裝置。在現階段進行設計中，基本上分為兩種不同的類型。首先是轉子鐵心外表面，粘貼瓦片性的磁鋼，并形成了凸極式。另一種則是在設計的過程中，將磁鋼插入轉子鐵心當中，這樣就可以形成一種內嵌式，或者隱級式的形狀[2]。在使用的永磁材料上，也基本上都是為了利用鐵氧體，或者使用鋁鎳鈷的方式，但是在現階段伴隨著科學技術的發展，已經進行了材料的升級，基本上都會使用一些高性能的復合金屬材料。

在其位置傳感器的使用上，是整個無刷電機運行當中的關鍵部分，這樣的使用作用本質上是對轉子磁場進行相應的檢測。在結構的使用上，有著電磁式、光電式、霍爾元件等不同的類型。這樣的設計方式下，可以很好地提升整體系統的運行可靠性。

2.1 電磁式位置傳感器

在電磁式的傳感器的使用過程中，基本上會使用到定子與裝置這兩部分。電子磁心以及轉子的扇形，都是使用到了高頻導磁的材料類型。因此，導磁扇形片基本上與電機磁性大致相同。在不同導磁的鋁合金圓盤上，會形成一個轉子。這樣在設計的過程中，就可以讓其信號線圈，起到一定的信號以及電壓。

2.2 光電式位置傳感器

在固定定子上的光電耦合開關，以及固定的轉子遮光盤上，都是需要基于實際的要求，開出一定的光孔[3]。其次，在不同的光電耦合的過程中，還要積極地保障在完成充電之后，可以發出一定量的紅外光，或者形成一定的激光。隨著遮光盤的運行，在轉動的過程中就可以形成光電管的導通。

光電式的位置傳感器使用上，由于基本上電信號都比較弱，就會使得需要得到放大處理，這樣才可以形成良好的直流電信號，同時并不需要進行相應的整流這樣的運行模式下，可以很好地發揮出相應的處理效果。

2.3 霍爾元件位置傳感器

在使用霍爾元件的過程中，由于基本上是到的半導體進行支撐，因此可以將其放置在磁場中。另外，在使用霍爾效應的方式下，可以有效地讓其電壓出的半導體，實現良好的效果。一般情況下，半導體效果比較明顯，因此在使用的一些材料中，往往會形成較為明顯的材料效果。

2.4 電樞繞組的電動勢信號

在為控制器當中的電機控制器的使用上，是一種脈寬調制器的設計方式，因此可以很好地識別出各種反動勢。這樣的設計方式下，可以很好地控制直流無刷電機，進行針對性的運行以及控制。還需要保障反電動勢在運行的過程中，始終保持一個較高的靈敏度[4]。另外，在一些相位比較器的處理上，需要保障避免出現一些衰減的情況。另外，在現階段MTC的控制器中，集成了大量的電機指令模塊。

3 直流無刷電機的控制系統

對于直流無刷電機而言，其中定子的三相對稱繞組的設計方式，可以基于三相平衡的方式形成正弦電流，并在之后出現一定的幅值，這樣也相應始終保持一個良好的轉動效果。在一些恒定的勵磁轉子磁動勢的運行中，會受到相互作用的影響，因此形成較為均勻的電磁轉矩效果。另外，在電流源的自控逆變器的運行過程中，所提供的電流由于并不是正弦波，使得在運行的過程中，其恒速轉動的轉子磁動勢，除了一些可以平衡的轉動量，還會出現一定的脈動動量，因此就會導致與傳統類型的電機運行原理并不相同。在普通類型的直流電機運行中，基本上在正負極的電刷中，會存在著一定的換向片，在轉矩脈動自然的情況下，相比較普通電機比較大。

3.1 電磁轉矩

這是在保持定子一相的繞組當中，始終需要保持持續性的直流電流運動，同時在電流受到轉子的磁場作用下，就會形成轉矩，因此使得轉子的位置上，需要基于正弦規律的變化方式進行針對性的運行。但是，一旦逆變器采用了特殊的類型，就會使得形成不同的轉子磁場。在進行設計的過程中，往往要保障結合起實際的情況，進行針對性的分析。

例如，在觸發了晶體管的相位之后，無論是提前還是出現延后的情況，都會直接影響到轉矩的平均值?，F階段這樣的處理模式下，就往往會使得脈動出現最小值。還會使得在運行過程中，經常性地出現一定的死點。

3.2 外轉子結構

在進行外轉子的設計過程中，基本上會首先使用30塊以上的充好磁場的永磁體，這樣鑲嵌在內圓周的轉子磁軛上，這樣形成了較為平整的方式。而在永磁體的一半極性上，會出現相反的效果。對于這樣的設計結構而言，可以很好地避免出現漏磁。在轉子的設計過程中，基本上會采用一些強度以及質量較高的同碳素鋼，同時也需要在進行使用的過程中，便于提升較大的力矩。其次，還在鋁合金的強度控制上，由于輕度不足，因此并不經常使用。在芯軸的處理過程中，所采用的是特殊的處理方式，因此就會使得在時間的運行環節，經?？梢澡T造出不同的形狀，以此便于提升系統的整體性能。為了保障進行驅動性能的提升，基本上都需要嚴格的要求軸度。

特別是在實際的投入使用過程中，在定子繞組電流上會形成一定的全新磁場。同時，這樣的磁場在減弱之后，會形成一定的磁力線。在使用不當直流刷電機的轉子磁鋼，一旦被去磁之后，使得磁性能出現較為明顯的下降。因此，這樣在實際的運行過程中，可以很好地避免由于受到去磁的影響，使得對電機的整體運行能力造成直接的影響。另外，在電機的磁路結構設計過程中，設計出極靴，也是為了保障對其運行的整體能力上，起到直接的作用。在這樣的控制系統設計模式下，極大地保障在磁鋼的運行環節，可以將磁通全面集中到氣隙當中。在另外一方面，定子繞組當中的電流，也相應的會出現一定的磁通效果。

3.3 電機電子結構

定子的設計過程中，采用了熱軋硅鋼片的方式，在后續進行疊合的過程中，槽絕緣所采用的是聚脂薄膜的方式，因此在繞線的處理上，也相應地采用的是基于機器繞組的方式。因此，這樣的設計方式下，可以有效地保障排列較為整齊。其次，在線圈繞組的設計過程中，始終保持的是兩層結構類型。在第一層的設計中，基本上為120匝。其次，在二層之間的繞組過程中會抽出抽頭。這樣設計相應的形成了高速繞組以低速繞組的不同類型。通過針對性的繞組設計，極大地提升了調速范圍。在外圓的設計中，往往安裝了霍爾元件，并將其當作位置傳感器進行使用。不同的位置安裝中，需要保增長對其引線進行針對性的標注，這是為了保障可以在實際接線的過程中，始終保持較為快速的效果。

3.4 高速與低速繞組設計

在不同的設計過程中，始終要結合起日后實際使用的需求，因此就需要保障在提升轉速的情況下，對一些粗大的脆性原料，始終保持較低的轉速，基本上控制在70～80 ppm。其次，在進行設計的過程中，不同的功能性需要進行不同的參數調整。對于普通的電機驅動的過程中，設計較為簡單，但是在本文的設計過程中，所提出的外轉子的電機，就要保障實際運行過程中，始終要在離合器的操控下進行高速的轉動。因此，在結構以及質量性的設計過程中，就需要保障降低故障出現的可能性。

3.5 直流脈寬調試系統

在控制系統的設計過程中，所采用的門極可斷開晶閘管，這樣設計的過程中，就要結合起各種先進的技術類型，因此構成出一個較為完善的調速系統。在現階段諸多的設計環節，始終存在著一個良好的技術優勢。例如，在主電路線路當中，存在著較為簡單的效果。其次，在功率上始終比較小，就會在日常開關上，進行良好的調整以及控制。電機的損耗及發熱問題，都得到了針對性的控制。當下在系統頻帶寬以及快速性能的提現中，始終保持著較高的動態抗干擾性，因此就會導致在主電路的運行過程中，降低了實際損耗，這樣的裝置可以發揮出一個良好的運行效果。所采用的直流電源，基本上都不會受到三相整流過程中，電網功率因素過高的影響。圖1為H型PWM交換器電路。

隨著現階段的電器發展，使得技術也相應地得到了進一步的提升。其中PWM的調速方式上，基本上可分為可逆與不可逆的類型，這樣就可以很好地保障在實際的運行過程中，保障可逆變頻器可以發揮出應有的作用。

在設計的過程中，所采用的PWM換氣可以很好地在運行中，基于不同的類型形成不同的功能。在基本上比較常見的型號上，基本上是由4個電力晶體管以及一些重要的續流二極管構成，這樣構建出的橋式電路，可以保持運行過程中的穩定性。

為了保障雙極式的運行困難進行有效的處理，就要在進行設計的過程中，保障對動態與靜態的性能，進行針對性的分析。當下所采用的PWM變化器，基本上與雙極式大致相同。在不同設計方式上，基本上也是在其系統的設計過程中，采用的是不同的電器件。在驅動信號變化后，經常會在不同階段中，保持對晶體管的開關情況，進行針對性的處理。因此，在電機向著單一方向進行旋轉時，往往變化器需要進行針對性的轉動，這樣就可以讓其在運動的過程中，保持一定的頻繁交換處理。運行的過程中，并不需要進行交替導通，就可以在運行中降低整體運行效果。

4 結束語

文章所提出的外轉子的直流無刷電機設計方案，具有一定可行性，可以將其運用到設備的實際運行過程中，使設備始終保持一個良好的運行模式。相比較傳統的電機設計方案而言，本方案可以使設備獲得較強的運行能力，進而避免出現故障問題。

參考文獻

[1] 郭佳雄，莊志鵬，楊有源，等.冰箱用外轉子永磁直流風機噪聲分析與優化[C].2021年中國家用電器技術大會論文集，2021.

[2] 陳正陽，齊良釗，王子康.基于Ansoft外轉子無刷直流電機設計[J].河南科技，2018（25）：42-43.

[3] 楊帆.飛輪電池用外轉子磁懸浮無刷直流電機的優化設計與分析[D].鎮江：江蘇大學，2018.

[4] 張正陽.基于DSP的外轉子無刷直流電機控制系統設計與仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2018.