认识 空心杯 电机(2)

李业新

上期文章大家认识了空心杯电机的独特结构。但与有铁芯电机相比,无铁芯电机究竟有什么优势?本期文章将解答这个问题。

三、空心杯电机型号

在谈论电动动力系统搭配时,经常能听到2212电机、2204电机等称谓。这种命名方式参考的是电机尺寸。在这个四位数字中,前两位代表了电机转子的直径,后两位则代表了电机转子的高度。需要注意的是,所有尺寸只与电机转子有关系,而非电机外壳。总体而言,前两位数值越大,说明电机越“胖”;后两位数值越大,说明电机越“高”。2212电机表示转子直径22毫米、高12毫米;2204电机,转子直径22毫米、高4毫米。前者常用在轴距450毫米的航拍机上,后者一般用在轴距210毫米的穿越机上。

空心杯电机的命名,参考的是同样的规则。一般来说,其中的直径和高度数值,指的是电机外壳的尺寸。常见的720电机,其外壳直径7毫米、高20毫米;615电机,其外壳直径6毫米、高15毫米。市面上售卖的空心杯电机,外形多为高瘦型。

四、空心杯电机的优势

与普通电机相比,空心杯电机在功率密度、工作效率、散热效果等方面优势明显。

1.工作效率好

采用铜板线圈的电机无需卷线和有槽硅钢片,降低了二者会带来的涡流和磁滞损耗。加之空心杯电机的电阻相对较小,从另一方面降低了能量损耗,提高了工作效率。

2.功率密度高

电机的功率密度,是其输出功率与重量或体积的比值。

从内部结构来看,空心杯电机省去了铁芯,使得自身体积变小;与传统的感应线圈相比,铜板线圈的重量更轻。由于绕制线圈时既不需要卷线,也不用添加有槽硅钢片,因此空心杯电机在运行过程中不会产生这方面的涡流和磁滞损耗。虽然铜板线圈也会带来一定的涡流,但是这种损耗很小且易控制,确保了较高的输出功率和输出转矩。总体看来,空心杯电机的输出功率和输出转矩比同规格普通电机高,加上重量或体积小,故功率密度高。

3.无齿槽效应和转矩滞后

空心杯电机采用铜板线圈、无硅钢片的设计,避免了硅钢片上的槽与磁石相互作用造成的齿槽效应。由于线圈无铁芯,因此所有金属部件要么都在工作,要么同时停止。无磁滞损耗、无齿槽效应减少了电机在速度和转矩上的波动,使其无明显转矩滞后现象。

4.启动转矩低

无磁滞损耗、无齿槽效应不仅减小了电机在速度和转矩上的波动,也让电机的启动转矩变得很低。当电机启动时,通常唯一的阻碍是轴承负荷。而空心杯电机无铁芯的结构形式,使启动变得极为容易。

5.转子与定子间无径向作用力

因为空心杯电机的结构中无静止的硅钢片,所以不存在转子与定子间的径向磁力。这种径向作用力易造成转子运转不稳定,无径向力则能改善电机转子的稳定性。在要求精密控制的应用场合,电机运转平稳尤其重要。

6.运转噪声小

由于取消了有槽硅钢片,因此电机运行带来的转矩和电压谐波均有减小。加之电机内部无交变电场,所以不会产生交变电场带来的噪声。空心杯电机在运行时,仅有轴承和气流的噪声,以及非正弦波带来的震动。总体速度曲线平滑、噪声小。

7.高速低电感无刷线圈

在高速运转时,空心杯无刷电机内铜板线圈的电感值较小。线圈绕组电感值小,可使电机启动电压降低;通过增加极数、减小机壳厚度,空心杯电机在电感值减小的同时既降低了自身重量,又提高了功率密度。

8.快速响应有刷线圈

对空心杯有刷电机来说,由于其铜板线圈的电感值低,因此电流对电压波动的响应更快。又因转子无铁芯,使得其转动惯量较传统电机更小。所以在转矩与电流响应速度相当的情况下,空心杯有刷电机的转子加速度能达到传统电机的两倍。

9.峰值转矩高

一般而言,空心杯电机的峰值转矩与连续转矩的比值很大。在由小转矩升至峰值转矩的过程中,电流越大、电机的转矩越大,期间二者比值是不变的,被称为转矩常数。也就是说,在达到峰值转矩之前,电机的电流与转矩是线性关系。而传统电机在运行时,当达到最大输出转矩后,再增大电流,电机的转矩也不会增加。空心杯电机因峰值转矩特别高,可看作电流与转矩一直呈线性关系。也就是说在电路耐受范围內,只要增大空心杯电机的电流,其输出转矩就会线性增加。

10.正弦波诱起电压波形平滑

空心杯电机使用铜板线圈,其精确的位置使得电机的电压谐波较低。而为了保证电机平稳运行,现在一般使用正弦波驱动和控制器。铜板线圈元件间存在气隙的结构,使其在正弦波驱动和控制中产生的诱起电压波形平滑,较传统电机的转矩输出控制更平稳、精准。这种特性,使得空心杯电机被广泛用于需要慢速运转或精准控制的设备,如显微镜、光学扫描仪、机器人等。

11.散热效果好

空心杯电机采用铜板线圈,线圈绕组的内外表面均有空气流动。反观传统电机的有槽转子线圈,漆包线被嵌在硅钢片的槽内,导致线圈表面气流流动少,不利于散热。经测试,在相同输出功率的情况下采用铜板线圈的电机,其温度攀升趋势明显弱于传统电机。

五、控制器硬件设计

1.控制器硬件总体结构

空心杯电机采用闭环控制器,其硬件结构包括PWM驱动电路、转速检测电路、液晶显示电路、USB转串口电路等部分。

空心杯电机控制器的工作过程如下:控制器通过串口与上位机进行通信,接收上位机给出期望转速指令和控制参数。电机实际转速经转速检测电路,由TM4C123GH6PM定时器捕获得到。将实际转速与期望转速对比后,系统得出转速差,并基于前馈PI控制输出相应PWM信号,经驱动电路后供给空心杯电机。同时,液晶显示器通过SPI接口与TM4C123GH6PM进行通信,从而实时显示实际转速值。

2.PWM驱动电路设计

空心杯电机的PWM驱动电路采用了一款双通道桥式电机驱动器DRV8833。该器件有两个H桥驱动器,能够同时驱动两个直流电机。每个H桥的输出驱动器模块由N沟道功率MOSFET组成,这些场效应管被配置成一个H桥,以驱动电机内的线圈绕组。通过调节PWM的占空比,该驱动电路可调整输入电机端电压的大小,进而控制空心杯电机的转速。由于只需驱动1个直流电机,因此空心杯电机中的PWM驱动电路将双通道输出做了并联处理,以达到增大驱动电流的效果。

3.转速检测电路设计

右下是空心杯电机转速检测电路图。电机转轴上固定了1个轮齿,上面均匀分布了4个错开的齿。轮齿布置在1个对射光耦上,电机每转动1周会产生4个高低脉冲,该脉冲频率就能表征电机的实际转速。

事实上,空心杯电机的控制器不仅具备了更加突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性,还能对电机转速进行快速精确的闭环控制。而要实现后者,控制器必须具备与上位机实现串口通信、转速实时采集、前馈PI控制、液晶屏显示等多个功能。(未完待续)

文章来源于:航空模型

浏览次数:  更新时间:2018-05-11 10:17:38
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