無刷直流電機:如何通過 6 通道換向編碼器實現最佳效率

2020-11-21 電子產品世界

在現今需要高強度伺服電機應用的電腦數值控制工具(數控工具機)、電梯以及中到大型工業自動化設備中，對於電源效率、轉矩、軸向振動和抗噪聲能力的要求已經成為控制系統和編碼器的主要設計考量。因此，永磁同步電動機(PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motors)，特別是無刷直流電機(BLDC，Brushless DC motors)的製造商，無不持續尋找可以通過更高速度提供更佳精確度的編碼器解決方案，並且可以穩健地在環境中運行。

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為了滿足這一需求，對6通道換向

編碼器

進行了改進，使之達到250kHz的頻率響應、更靈活的極對數，並採用可處理軸向振動問題的特殊錐形軸設計，以及帶來屏蔽接地以支持苛刻工作條件要求的額外電子電路。

無刷直流電機

介紹

無刷直流電機

由兩個主要部分組成，分別為轉子和定子。其中，轉子為永磁式磁鐵，定子則由以120°電子角分離，纏繞在軟金屬的電樞繞組構成。系統的驅動電路提供流經定子繞組的相位電流，這個動作產生了可以推動轉子的不同相位磁場，在本篇文章的討論中將把這些相位分別命名為U、V和W。典型的閉環反饋系統如圖1所示。

圖1 BLDC無刷直流電機閉環反饋系統的基本框圖


增加轉子中的極對數可以提高電動機的極對數，極對數的增加可以通過選擇正確的磁性材料或加大轉子的直徑達成。


對於直接驅動轉矩電動機，轉矩速度比必須平坦，要維持穩定的轉矩，也就是把轉子的紋波保持在最低，轉子中的極對數必須夠高，因此，在實際應用中通常使用8、10、20甚至高達30個極對數，這也逐漸成為這類型電動機應用的常見配置。


無刷直流電機的應用要求
無刷直流電機在工業界中廣泛使用，高強度工業應用，如研磨、搪磨和銑削過程的數值工具機，就需要最小紋波的穩定轉矩；然而在中大型工業應用中，如金屬和木材加工機械，轉矩控制和負載剛度就成為關鍵的考量。另一方面，對於電梯用的牽引電動機，穩定的轉矩/速度比則是主要的考慮因素。

如果需要更高的轉距和

效率

，或更穩定平穩的驅動，也就是降低轉矩紋波，無刷直流電機的極對數就必須隨著轉矩一同提高。通常，高轉矩電動機搭配強大的稀土磁體，像釹鐵硼(Nd-Fe-B)，電動機直徑較大，可以加入較多極對數以及相對短許多的極對長度。作為示例，1m直徑和6英寸長的極對就經常應用在電梯驅動系統中。

對於高強度應用以及中到大型工業自動化設備，電動機轉距就成為考量的關鍵因素，通常，用來改善功率因數、

效率

和電動機轉矩大小的方法是提高轉子的極對數和定子的繞組。

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