1 技術(shù)方案背景

這個(gè)方案的設(shè)想來源于我司產(chǎn)品開發(fā)工作中遇到的實(shí)際問題。

本人是一名產(chǎn)品經(jīng)理兼研發(fā)工程師，在公司的一個(gè)項(xiàng)目開發(fā)過程中，負(fù)責(zé)開發(fā)了一款小家電產(chǎn)品，在該產(chǎn)品的早期規(guī)劃階段，為了節(jié)省成本，計(jì)劃使用有刷電機(jī)作為動(dòng)力源。隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，在和電機(jī)廠家的不斷接觸中了解到，有刷電機(jī)最大的短板是壽命問題，尤其在頻繁啟停，正反轉(zhuǎn)，大功率運(yùn)行的條件下，壽命更是會(huì)出現(xiàn)斷崖式下跌，一個(gè)500小時(shí)壽命的有刷電機(jī)，在這樣的極端條件下壽命可能只有幾十個(gè)小時(shí)，完全滿足不了我們的需求。于是，我們只好選用無刷電機(jī)，但無刷電機(jī)成本實(shí)在太高，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩者的成本費(fèi)用，大大超出了預(yù)算，我們?cè)偃螂姍C(jī)廠家確認(rèn)，有沒有不需要驅(qū)動(dòng)器的無刷電機(jī)（只是電機(jī)的話成本還可以接受）？答案是沒有！有沒有更便宜的驅(qū)動(dòng)方案？答案是可以再降低一些，但仍然很貴。

2 有刷電機(jī)工作原理的啟示

于是我試著了解無刷電機(jī)的運(yùn)行方式，看看能不能找到降低成本的突破口。由于之前對(duì)有刷電機(jī)比較了解，在了解了無刷電機(jī)運(yùn)行原理之后，有一天突然產(chǎn)生一個(gè)想法：能不能讓無刷電機(jī)也像有刷電機(jī)一樣自我驅(qū)動(dòng)呢？我認(rèn)為有刷電機(jī)是自驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因?yàn)殡姍C(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)改變，從而自動(dòng)切換不同繞組通電實(shí)現(xiàn)自我驅(qū)動(dòng)。而無刷電機(jī)是外部驅(qū)動(dòng)電機(jī)，必須先通過霍爾元件感知電機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)，然后再處理位置信息，最后才控制相關(guān)繞組通斷電。所以我想，能不能讓無刷電機(jī)也做出類似有刷電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)的形式，讓轉(zhuǎn)子本身的位置狀態(tài)作為觸發(fā)條件來驅(qū)動(dòng)自身運(yùn)轉(zhuǎn)。從這個(gè)角度出發(fā)，我想到了光電編碼器原理，在電機(jī)轉(zhuǎn)子上增加遮光盤，通過遮光盤來實(shí)時(shí)體現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)，將光電開關(guān)產(chǎn)生的電壓的信號(hào)直接輸入的三相逆變器的控制端，以實(shí)現(xiàn)不同繞組的通斷電，從而就可能可以實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)的自我驅(qū)動(dòng)了。

認(rèn)準(zhǔn)這個(gè)方向，我們先后做了多次嘗試，從定子繞組并聯(lián)連接到星型連接，光電開關(guān)從3個(gè)感應(yīng)點(diǎn)到6個(gè)感應(yīng)點(diǎn)，從單相繞組通電到多相繞組同時(shí)通電，終于在第六次，實(shí)現(xiàn)了和現(xiàn)有無刷電機(jī)相同的驅(qū)動(dòng)流程和驅(qū)動(dòng)時(shí)序，理論上可以和現(xiàn)有無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器達(dá)到相同的驅(qū)動(dòng)效果。

3 技術(shù)方案具體內(nèi)容

接下來，我把最終技術(shù)方案具體介紹一下，以最常見的三相二對(duì)極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)為例，電機(jī)的組成部分和結(jié)構(gòu)如下圖所示：

● 遮光盤和永磁體轉(zhuǎn)子固定連接，可隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)

● 遮光盤上開有內(nèi)外兩組通關(guān)槽，通光槽中心線與轉(zhuǎn)子磁極分界線偏離15度；

● 通關(guān)槽寬度30-60度之間，小于30度可能存在啟動(dòng)死區(qū)，大于60度會(huì)產(chǎn)生反向推力阻礙電機(jī)旋轉(zhuǎn)；

● 光電開關(guān)固定在定子上，其中心線與對(duì)應(yīng)繞組中心線重合；

● 每個(gè)光電開關(guān)設(shè)有內(nèi)外兩個(gè)感應(yīng)點(diǎn)。每個(gè)感應(yīng)點(diǎn)經(jīng)過通光槽時(shí)導(dǎo)通；

●導(dǎo)通的光電開關(guān)產(chǎn)生電壓信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)mos管。

光電開關(guān)和逆變器原理電路如下圖所示：

光電開關(guān)和三相逆變橋

● 光電開關(guān)中間為遮光盤，遮光盤旋轉(zhuǎn)到通光槽位置時(shí)，光敏三極管導(dǎo)通，從而輸出電壓信號(hào)a1；

● 每個(gè)光電開關(guān)有兩個(gè)感應(yīng)點(diǎn)，三個(gè)光電開關(guān)共產(chǎn)生6個(gè)感應(yīng)信號(hào)（a1，a2，b1，b2，c1，c2，）；

● 光電開關(guān)與三相逆變橋共地連接。

電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析如下：

圖1                                           圖2                                             圖3

以通光槽寬度30度為例：（光電開關(guān)外感應(yīng)點(diǎn)為a1，b1，c1，內(nèi)感應(yīng)點(diǎn)為a2，b2，c2）

● 假設(shè)初始狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子處于圖1位置。此時(shí)光電開關(guān)a1導(dǎo)通；

● 將a1的信號(hào)線連接到sw1，sw6，使AB繞組通電，產(chǎn)生磁場(chǎng)如圖2所示；

● AB繞組推動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，到光電開關(guān)c2導(dǎo)通，同時(shí)光電開關(guān)a1斷開，如圖3；

● 將c2的信號(hào)線連接到sw1，sw2，使AC繞組通電，產(chǎn)生磁場(chǎng)如圖4所示；

● AC繞組推動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30度角，到光電開關(guān)b1導(dǎo)通，同時(shí)光電開關(guān)c2斷開，如圖5；

● 將b1的信號(hào)線連接到sw3，sw2，使BC繞組通電，產(chǎn)生磁場(chǎng)如圖6所示；

圖4                                               圖5                                            圖6

● BC繞組推動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30度角，到光電開關(guān)a2導(dǎo)通，同時(shí)光電b1斷開，如圖7；

● 將a2的信號(hào)線連接到sw3，sw4，使BA繞組通電，產(chǎn)生磁場(chǎng)如圖8所示；

● BA繞組推動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30度角，到光電開關(guān)c1導(dǎo)通，同時(shí)光電開關(guān)a2斷開，如圖9；

圖7                                                 圖8                                              圖9

● 將c1的信號(hào)線連接到sw4，sw5，使CA繞組通電，產(chǎn)生磁場(chǎng)如圖10所示；

● CA繞組推動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30度角，到光電開關(guān)b2導(dǎo)通，同時(shí)光電開關(guān)c1斷開，如圖11；

● 將b2的信號(hào)線連接到sw5，sw6，使CB繞組通電，產(chǎn)生磁場(chǎng)如圖12所示；

圖10                                             圖11                                           圖12

● CB繞組推動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30度角，到光電開關(guān)a1導(dǎo)通，同時(shí)光電開關(guān)b2斷開，如圖13；

● 導(dǎo)通的a1使AB繞組通電，繼續(xù)推動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30度，如圖14；

圖13                                           圖14

● 到此為止，定子回到圖2狀態(tài)，完成了一個(gè)循環(huán)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180度，并會(huì)持續(xù)運(yùn)行下去；

● 如此即可完成無刷電機(jī)自驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子整體運(yùn)行時(shí)序如下所示：

4 自驅(qū)無刷電機(jī)優(yōu)勢(shì)

該驅(qū)動(dòng)方案通過簡(jiǎn)單的遮光盤和光電開關(guān)組件，在一定的角度設(shè)置條件下，巧妙地實(shí)現(xiàn)了無刷電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)，且其驅(qū)動(dòng)流程和驅(qū)動(dòng)時(shí)序與現(xiàn)有無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)流程和驅(qū)動(dòng)時(shí)序相同，因此理論上該方案可以實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)有無刷電機(jī)相同的啟動(dòng)特性，力矩特性和效率特性，達(dá)到和現(xiàn)有無刷電機(jī)相同的性能，相比于現(xiàn)有外部驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)方式，自驅(qū)驅(qū)動(dòng)方式更簡(jiǎn)單，更可靠，成本更低。

我們依照該方案做出了樣機(jī)，并實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了該方案的可行性。成品狀態(tài)的電機(jī)其構(gòu)造分為電機(jī)本體和感應(yīng)開關(guān)組件兩個(gè)部分，電機(jī)本體使用現(xiàn)有的三相無感電機(jī)，感應(yīng)組件位于電機(jī)尾部，相比于霍爾內(nèi)置的無刷電機(jī)，感應(yīng)控制組件遠(yuǎn)離電機(jī)內(nèi)部高溫嚴(yán)苛的工作環(huán)境，可靠性更高。另外從電機(jī)生產(chǎn)工藝角度出發(fā)，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)完全沒有改變，只需在現(xiàn)有電機(jī)尾部直接加裝感應(yīng)驅(qū)動(dòng)組件即可，無需改造原有電機(jī)生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)線，因此該類電機(jī)的生產(chǎn)制造更加方便。

5 技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域

整體來看，自驅(qū)無刷電機(jī)更像是介于有刷電機(jī)和無刷電機(jī)中間的一個(gè)新品類，兼具有刷電機(jī)功能簡(jiǎn)單，成本低和無刷電機(jī)長(zhǎng)壽命，低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，個(gè)人認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：

一方面是降低成本，替代部分簡(jiǎn)單功能的無刷電機(jī)，因?yàn)楝F(xiàn)有無刷電機(jī)控制較為復(fù)雜，功能也齊全，但很多產(chǎn)品用不到那么復(fù)雜的功能，就像一個(gè)人只需要一匹馬，但不得不把整個(gè)馬車也買下來一樣，因此可以應(yīng)用于這類簡(jiǎn)單功能產(chǎn)品之中，替換原有無刷電機(jī)，降低成本；另一方面是提升性能，主要應(yīng)用對(duì)象是那些原本就使用有刷電機(jī)的產(chǎn)品，使這些產(chǎn)品可以用較低成本將有刷電機(jī)替換為無刷電機(jī)，從而可以大幅提升產(chǎn)品性能，擴(kuò)大產(chǎn)品應(yīng)用范圍，如增加產(chǎn)品壽命，降低噪聲和干擾等等。

此外，用戶還可以根據(jù)不同產(chǎn)品的應(yīng)用需要，在電機(jī)基礎(chǔ)功能上再增加正反轉(zhuǎn)，調(diào)速，反饋，剎車或制動(dòng)等其他功能，應(yīng)用更靈活。

6 結(jié)束語

直流電機(jī)憑借其良好的功率因素，啟動(dòng)特性和調(diào)速性能等方面的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)，交通，能源，家電，玩具以及電動(dòng)工具等領(lǐng)域，而隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求也越來越高。面對(duì)市場(chǎng)日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)，在各行各業(yè)都極力追求成本控制，追求更高產(chǎn)品性能的趨勢(shì)背景之下，兼具有刷電機(jī)和無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的自驅(qū)無刷電機(jī)，將有著較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。