外转子型直流无刷电机及其控制系统分析

吴永红

[摘    要]直流无刷电动机是一种以电子换向器技术为基础而设计的电机类型，在结构设计上具有一定特殊性，不需要进行电刷设计，因此可以较为方便地进行制造。但是在后续的使用上，存在着一定的问题。文章主要基于当下各行业使用的电机以及控制系统进行相应的分析以及阐述。

[关键词]无刷电机;控制系统;调速平滑性;调节供电压;磨损

[中图分类号]TM32 [文献标志码]A [文章编号]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

由于直流电机在设计的过程中，往往采用的是直线型设计方式，因此需要在控制的过程中，始终保持较为平滑的运行方式，从而起到增大转矩的调节供电压的效果，这样就可以基于特定的比例线性，调节电机的转速。在直流电机的操作过程中，会产生一定的电火花，同时也可以很好地调节电机的实际转速。

1 研究背景

在现阶段直流电机的使用过程中，首先可以很好地起到调速效果，另外也可以对其启动特性的优化起到良好的效果。因此，现阶段在诸多的驱动装置以及伺服系统中，得到了较为普遍的应用。在一些传统的直流电机当中，需要设计电刷或者换向器，这样就会导致滑动机械接触较为严重，进而对系统的整体稳定性以及性能，造成了直接的影响。甚至会导致系统在实际的运行过程中，出现一些无线电干扰，从而降低电机整体寿命。在现阶段换向器电刷装置的使用过程中，经常受到转向器电刷装置的影响，不仅结构上较为复杂，同时装置在后续的维护上也较为困难。

随着电子技术的发展与进步，使市场中出现了大量不同类型的电子器件，特别是出现的一些直流无刷电机，可以很好地利用电子开关或利用位置传感器的方式，充分发挥自身的性能，保障后续进行运行的过程中，设备能够始终保持合理的转速以及较高的运行效率。该设备在转速上，并不会受到机械换向问题的影响，同时所使用的高速转轴，可以稳定的高速运转。在当下，直流无刷电机，已经得到了较为稳定的运行与使用。直流无刷电机也在逐渐与电子线路、电机融合发展，现今已经将大量现金的电子技术，应用到电机领域当中，以此形成较快的发展速度[1]。

2 直流无刷电机的基本结构

在直流无刷电机的结构设计上，基本上与电机结构与永磁同步电机基本相同，同时转子也是有永磁材料所支撑的极对数永磁体，但是并不会使用鼠笼绕组，或者使用其他类型的启动装置。在现阶段进行设计中，基本上分为两种不同的类型。首先是转子铁心外表面，粘贴瓦片性的磁钢，并形成了凸极式。另一种则是在设计的过程中，将磁钢插入转子铁心当中，这样就可以形成一种内嵌式，或者隐级式的形状[2]。在使用的永磁材料上，也基本上都是为了利用铁氧体，或者使用铝镍钴的方式，但是在现阶段伴随着科学技术的发展，已经进行了材料的升级，基本上都会使用一些高性能的复合金属材料。

在其位置传感器的使用上，是整个无刷电机运行当中的关键部分，这样的使用作用本质上是对转子磁场进行相应的检测。在结构的使用上，有着电磁式、光电式、霍尔元件等不同的类型。这样的设计方式下，可以很好地提升整体系统的运行可靠性。

2.1 电磁式位置传感器

在电磁式的传感器的使用过程中，基本上会使用到定子与装置这两部分。电子磁心以及转子的扇形，都是使用到了高频导磁的材料类型。因此，导磁扇形片基本上与电機磁性大致相同。在不同导磁的铝合金圆盘上，会形成一个转子。这样在设计的过程中，就可以让其信号线圈，起到一定的信号以及电压。

2.2 光电式位置传感器

在固定定子上的光电耦合开关，以及固定的转子遮光盘上，都是需要基于实际的要求，开出一定的光孔[3]。其次，在不同的光电耦合的过程中，还要积极地保障在完成充电之后，可以发出一定量的红外光，或者形成一定的激光。随着遮光盘的运行，在转动的过程中就可以形成光电管的导通。

光电式的位置传感器使用上，由于基本上电信号都比较弱，就会使得需要得到放大处理，这样才可以形成良好的直流电信号，同时并不需要进行相应的整流这样的运行模式下，可以很好地发挥出相应的处理效果。

2.3 霍尔元件位置传感器

在使用霍尔元件的过程中，由于基本上是到的半导体进行支撑，因此可以将其放置在磁场中。另外，在使用霍尔效应的方式下，可以有效地让其电压出的半导体，实现良好的效果。一般情况下，半导体效果比较明显，因此在使用的一些材料中，往往会形成较为明显的材料效果。

2.4 电枢绕组的电动势信号

在为控制器当中的电机控制器的使用上，是一种脉宽调制器的设计方式，因此可以很好地识别出各种反动势。这样的设计方式下，可以很好地控制直流无刷电机，进行针对性的运行以及控制。还需要保障反电动势在运行的过程中，始终保持一个较高的灵敏度[4]。另外，在一些相位比较器的处理上，需要保障避免出现一些衰减的情况。另外，在现阶段MTC的控制器中，集成了大量的电机指令模块。

3 直流无刷电机的控制系统

对于直流无刷电机而言，其中定子的三相对称绕组的设计方式，可以基于三相平衡的方式形成正弦电流，并在之后出现一定的幅值，这样也相应始终保持一个良好的转动效果。在一些恒定的励磁转子磁动势的运行中，会受到相互作用的影响，因此形成较为均匀的电磁转矩效果。另外，在电流源的自控逆变器的运行过程中，所提供的电流由于并不是正弦波，使得在运行的过程中，其恒速转动的转子磁动势，除了一些可以平衡的转动量，还会出现一定的脉动动量，因此就会导致与传统类型的电机运行原理并不相同。在普通类型的直流电机运行中，基本上在正负极的电刷中，会存在着一定的换向片，在转矩脉动自然的情况下，相比较普通电机比较大。

3.1 电磁转矩

这是在保持定子一相的绕组当中，始终需要保持持续性的直流电流运动，同时在电流受到转子的磁场作用下，就会形成转矩，因此使得转子的位置上，需要基于正弦规律的变化方式进行针对性的运行。但是，一旦逆变器采用了特殊的类型，就会使得形成不同的转子磁场。在进行设计的过程中，往往要保障结合起实际的情况，进行针对性的分析。

例如，在触发了晶体管的相位之后，无论是提前还是出现延后的情况，都会直接影响到转矩的平均值。现阶段这样的处理模式下，就往往会使得脉动出现最小值。还会使得在运行过程中，经常性地出现一定的死点。

3.2 外转子结构

在进行外转子的设计过程中，基本上会首先使用30块以上的充好磁场的永磁体，这样镶嵌在内圆周的转子磁轭上，这样形成了较为平整的方式。而在永磁体的一半极性上，会出现相反的效果。对于这样的设计结构而言，可以很好地避免出现漏磁。在转子的设计过程中，基本上会采用一些强度以及质量较高的同碳素钢，同时也需要在进行使用的过程中，便于提升较大的力矩。其次，还在铝合金的强度控制上，由于轻度不足，因此并不经常使用。在芯轴的处理过程中，所采用的是特殊的处理方式，因此就会使得在时间的运行环节，经常可以铸造出不同的形状，以此便于提升系统的整体性能。为了保障进行驱动性能的提升，基本上都需要严格的要求轴度。

特别是在实际的投入使用过程中，在定子绕组电流上会形成一定的全新磁场。同时，这样的磁场在减弱之后，会形成一定的磁力线。在使用不当直流刷电机的转子磁钢，一旦被去磁之后，使得磁性能出现较为明显的下降。因此，这样在实际的运行过程中，可以很好地避免由于受到去磁的影响，使得对电机的整体运行能力造成直接的影响。另外，在电机的磁路结构设计过程中，设计出极靴，也是为了保障对其运行的整体能力上，起到直接的作用。在这样的控制系统设计模式下，极大地保障在磁钢的运行环节，可以将磁通全面集中到气隙当中。在另外一方面，定子绕组当中的电流，也相应的会出现一定的磁通效果。

3.3 电机电子结构

定子的设计过程中，采用了热轧硅钢片的方式，在后续进行叠合的过程中，槽绝缘所采用的是聚脂薄膜的方式，因此在绕线的处理上，也相应地采用的是基于机器绕组的方式。因此，这样的设计方式下，可以有效地保障排列较为整齐。其次，在线圈绕组的设计过程中，始终保持的是两层结构类型。在第一层的设计中，基本上为120匝。其次，在二层之间的绕组过程中会抽出抽头。这样设计相应的形成了高速绕组以低速绕组的不同类型。通过针对性的绕组设计，极大地提升了调速范围。在外圆的设计中，往往安装了霍尔元件，并将其当作位置传感器进行使用。不同的位置安装中，需要保增长对其引线进行针对性的标注，这是为了保障可以在实际接线的过程中，始终保持较为快速的效果。

3.4 高速与低速绕组设计

在不同的设计过程中，始终要结合起日后实际使用的需求，因此就需要保障在提升转速的情况下，对一些粗大的脆性原料，始终保持较低的转速，基本上控制在70～80 ppm。其次，在进行设计的过程中，不同的功能性需要进行不同的参数调整。对于普通的电机驱动的过程中，设计较为简单，但是在本文的设计过程中，所提出的外转子的电机，就要保障实际运行过程中，始终要在离合器的操控下进行高速的转动。因此，在结构以及质量性的设计过程中，就需要保障降低故障出现的可能性。

3.5 直流脉宽调试系统

在控制系统的设计过程中，所采用的门极可断开晶闸管，这样设计的过程中，就要结合起各种先进的技术类型，因此构成出一个较为完善的调速系统。在现阶段诸多的设计环节，始终存在着一个良好的技术优势。例如，在主电路线路当中，存在着较为简单的效果。其次，在功率上始终比较小，就会在日常开关上，进行良好的调整以及控制。电机的损耗及发热问题，都得到了针对性的控制。当下在系统频带宽以及快速性能的提现中，始终保持着较高的动态抗干扰性，因此就会导致在主电路的运行过程中，降低了实际损耗，这样的装置可以发挥出一个良好的运行效果。所采用的直流电源，基本上都不会受到三相整流过程中，电网功率因素过高的影响。图1为H型PWM交换器电路。

随着现阶段的电器发展，使得技术也相应地得到了进一步的提升。其中PWM的调速方式上，基本上可分为可逆与不可逆的类型，这样就可以很好地保障在实际的运行过程中，保障可逆变频器可以发挥出应有的作用。

在设计的过程中，所采用的PWM换气可以很好地在运行中，基于不同的类型形成不同的功能。在基本上比较常见的型号上，基本上是由4个电力晶体管以及一些重要的续流二极管构成，这样构建出的桥式电路，可以保持运行过程中的稳定性。

为了保障双极式的运行困难进行有效的处理，就要在进行设计的过程中，保障对动态与静态的性能，进行针对性的分析。当下所采用的PWM变化器，基本上與双极式大致相同。在不同设计方式上，基本上也是在其系统的设计过程中，采用的是不同的电器件。在驱动信号变化后，经常会在不同阶段中，保持对晶体管的开关情况，进行针对性的处理。因此，在电机向着单一方向进行旋转时，往往变化器需要进行针对性的转动，这样就可以让其在运动的过程中，保持一定的频繁交换处理。运行的过程中，并不需要进行交替导通，就可以在运行中降低整体运行效果。

4 结束语

文章所提出的外转子的直流无刷电机设计方案，具有一定可行性，可以将其运用到设备的实际运行过程中，使设备始终保持一个良好的运行模式。相比较传统的电机设计方案而言，本方案可以使设备获得较强的运行能力，进而避免出现故障问题。

参考文献

[1] 郭佳雄，庄志鹏，杨有源，等.冰箱用外转子永磁直流风机噪声分析与优化[C].2021年中国家用电器技术大会论文集，2021.

[2] 陈正阳，齐良钊，王子康.基于Ansoft外转子无刷直流电机设计[J].河南科技，2018（25）：42-43.

[3] 杨帆.飞轮电池用外转子磁悬浮无刷直流电机的优化设计与分析[D].镇江：江苏大学，2018.

[4] 张正阳.基于DSP的外转子无刷直流电机控制系统设计与仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2018.