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有刷電機最大的短板是壽命問題,尤其在頻繁啟停,正反轉,大功率運行的條件下,壽命更是會出現斷崖式下跌,一個500小時壽命的有刷電機,在這樣的極端條件下壽命可能只有幾十個小時,完全滿足不了需求。只好選用無刷電機,但無刷電機成本實在太高,電機和驅動器兩者的成本費用,大大超出了預算,那么有沒有不需要驅動器的無刷電機(只是電機的話成本還可以接受)?答案是沒有!有沒有更便宜的驅動方案?答案是可以再降低一些,但仍然很貴。
能不能讓無刷電機也像有刷電機一樣自我驅動呢?有刷電機是自驅動電機,因為電機旋轉時轉子位置狀態改變,從而自動切換不同繞組通電實現自我驅動。而無刷電機是外部驅動電機,必須先通過霍爾元件感知電機轉子狀態,然后再處理位置信息,最后才控制相關繞組通斷電。能不能讓無刷電機也做出類似有刷電機的自驅動的形式,讓轉子本身的位置狀態作為觸發條件來驅動自身運轉。從這個角度出發,到了光電編碼器原理,在電機轉子上增加遮光盤,通過遮光盤來實時體現轉子位置狀態,將光電開關產生的電壓的信號直接輸入的三相逆變器的控制端,以實現不同繞組的通斷電,從而就可能可以實現無刷電機的自我驅動了。
電機的自驅動時序分析如下:
將b1的信號線連接到sw3,sw2,使BC繞組通電,產生磁場如圖6所示;
BA繞組推動轉子順時針轉動30度角,到光電開關c1導通,同時光電開關a2斷開,如圖9;
將b2的信號線連接到sw5,sw6,使CB繞組通電,產生磁場如圖12所示;
導通的a1使AB繞組通電,繼續推動轉子順時針旋轉30度,如圖14;
圖13 圖14
實際運行驗證了該方案的可行性。成品狀態的電機其構造分為電機本體和感應開關組件兩個部分,電機本體使用現有的三相無感電機,感應組件位于電機尾部,相比于霍爾內置的無刷電機,感應控制組件遠離電機內部高溫嚴苛的工作環境,可靠性更高。另外從電機生產工藝角度出發,由于電機結構完全沒有改變,只需在現有電機尾部直接加裝感應驅動組件即可,無需改造原有電機生產工藝及生產線,因此該類電機的生產制造更加方便。
整體來看,自驅無刷電機更像是介于有刷電機和無刷電機中間的一個新品類,兼具有刷電機功能簡單,成本低和無刷電機長壽命,低噪聲的優點,個人認為該項技術的應用主要有兩個方面:
一方面是降低成本,替代部分簡單功能的無刷電機,因為現有無刷電機控制較為復雜,功能也齊全,但很多產品用不到那么復雜的功能,就像一個人只需要一匹馬,但不得不把整個馬車也買下來一樣,因此可以應用于這類簡單功能產品之中,替換原有無刷電機,降低成本;另一方面是提升性能,主要應用對象是那些原本就使用有刷電機的產品,使這些產品可以用較低成本將有刷電機替換為無刷電機,從而可以大幅提升產品性能,擴大產品應用范圍,如增加產品壽命,降低噪聲和干擾等等。
此外,用戶還可以根據不同產品的應用需要,在電機基礎功能上再增加正反轉,調速,反饋,剎車或制動等其他功能,應用更靈活。
直流電機憑借其良好的功率因素,啟動特性和調速性能等方面的優勢,廣泛應用于工業,農業,交通,能源,家電,玩具以及電動工具等領域,而隨著社會的不斷發展,人們對產品的各項性能指標的要求也越來越高。面對市場日益激烈的競爭,在各行各業都極力追求成本控制,追求更高產品性能的趨勢背景之下,兼具有刷電機和無刷電機優點的自驅無刷電機,將有著較大的市場應用前景。