近年，在我国使用吸尘器的家庭日益增加，随着人民生活水平的提高，吸尘器将得到普及。然而，我国吸尘器用无刷直流电动机的生产与需求是不适应的，市场上销售的吸尘器多采用国外电动机组装，因国产的吸尘器用无刷直流电动机在高速旋转时存在振动大、换向火花大、电刷使用寿命短、噪声大等问题，用改变电动机的槽口设计、提高轴承质量、优化电刷设计和提高装配工艺等方法来解决上述所存在的问题收到的效果很小。电机在的这些弊端主要来源于有接触的换向器——机械换向装置，若采用电子换向装置来代替机械换向装置的无刷电动机，就可有效地解决电机中由于接触换向所带来的一系列问题。同时，由于吸尘器对转速的稳定性没有过高的要求，可以避开无刷电动机的缺陷。本文介绍无刷直流电动机的电子换向装置。

    无刷直流电动机用****磁钢作为转子，电枢绕组装在定子上，其内部的电磁过程与有刷直流电机无大区别。有刷电机具有旋转的电枢和固定的磁路，是依靠电枢磁势与主磁磁势相互垂直以产生大的电磁转矩。而电枢磁势的建立是由一个滑动的接触装置——电刷和换向器，牙能将电流馈给旋转的电枢。在无刷电动机中，用可以旋转的****磁钢作主磁极（转子），将安装在定子上的电枢绕组与电子开关元件相连接，为了获得一定的电磁转矩，主磁极磁势与定子绕组所产生的磁势应保持一定的矢量差角，当矢量角为90度时，电磁转矩****，所以，应使矢量根据矢量所转动的位置而变动位置，在无刷电动机内部应有一个位置传感器，它可以随时测出转子（主磁极）的位置，用测得的信号控制电子开关元件，使与开关元件相连接的定子绕组产生一个跳跃式的旋转磁势，以控制磁势与主磁极磁势的相对位置在一定范围内变化，这样，电动机就可以获得一定量的动转矩（电磁转矩），使永磁转子连续的转动。所以，无刷电机的电子换向装置是由位置传感器和具有电子开关元件的电子线路构成。

    在无刷电动机中（原理图见图1），定子绕组对称分布在定子圆周表面，若定子绕组作星形连接，每相绕组出线端与开关元件相连后接直流电源。如果用三个霍尔元件作位置传感器，分别放在定子槽口的适当位置，它们所得到的信号经放大电路放大后，分别输送给与A、B、C三相连接的电子开关元件的控制端，以便控制元件的关断。

    当****磁极处在A相传感器能接到信号的位置时，A相传感器就有信号输出，使与A相绕组连接的开关元件导通，A相绕组通电后产生一磁势，正好与磁极磁势有一定的矢量角，产生一定的电磁转矩，使磁极向方向旋转。见图2a。当磁极转过120度电角度时，F与Fo重合，电磁转矩不为零，此时，A相传感器的信号消失，A相的元件关断，B相传感器得到信号输出，使与B相绕组连接的开关元件导通，定子电枢磁势的位置由A相绕组轴线跳到B相绕组的轴线，这时又建立一个新的位置关系，使磁极保持旋转的状态，见图2b。待磁极再转过120度电角度后，B相传感器的信号消失，C相传感器得到信号；F又跳到C相绕组轴线位置，再产生一个位置关系，保持了电磁转矩在一定范围内变化，使转子能够连续旋转，见图2c。因此，只要根据磁场转动的不同位置，以恰当的顺序去接通和关断各相出线端所联接的开关元件，保持磁极磁势滞后电枢磁势一定电角度的位置关系，使无刷电动机产生电磁转矩而稳定运行。

    采用的位置传感器为霍尔集成电路UGN3020，它是霍尔元件和放大用集成电路的组合，如图3所示。

    当所加磁场方向如图3b所示时，从N垂直进入S，霍尔元件两端产生一个霍尔电势，经放大整形后变为幅值达数伏的数字信号输出。若所加的磁场为梯形波时，输出的波形如图4所示。

 

    采用功率MOS管(VMOS)作开关元件，VMOS管输入阻抗高，驱动电流极小，此外，它是多数载流子器件，没有双极型功率管所固有的“存贮效应”，因而消除了开关管的共态导通，降低了损耗，使无刷电动机工作可靠，VMOS管开关速度快，动态功耗小，又是负温度系数器件，所以热稳定性好，没有双极性管固有的“二次击穿”现象，减少了故障率。将霍尔集成电路放在电机定子槽口的适当地方，并用逻辑电路建立27r/3高电平信号的波形控制VMOS管开关，使相应绕组导通。这样，就可以实现对无刷直流电动机的控制。   

控制线路是用来控制定子上采用集中绕组的无刷直流电动机，控制线路如图5所示，以实现电动机在“一相导通三状态”下运行。

    电路的作用有二，一是为直流电动机提供直流电源，所以线路中必须有整流滤波。二是为功率VMOS管和其它电子元件提供12V的直流电源。如图5中电源电路部分。在电路中采用6A的桥式整流，经过330/450V的电解电容滤波，得到242V电压供给电机。采用220/15V的变压器，1A的桥式整流、滤波和稳压电路就可获得一个很稳定的12V直流电压。其作用为利用LM311中的RC延时电路，使起动时加到绕组上的电压有一上升过程。由于加在电枢绕组上的电压有一个过渡过程，起动电流按指数上升，这样，能提高起动的稳定性，起动时发热量小，没有冲击；利用斩波恒流原理，当出现意外情况使电路电流过大时，LM311将输出低电平封锁全部功率开关元件，保护VMOS管，如图5的保护电路部分。

    这部分电路包括霍尔位置传感器和逻辑采用运放LM311组成斩波恒流保护电组合电路，如图5的电子开关控制电路部分。

    将霍尔位置传感器H1、H2、H3相互间隔120。电角度，放在定子槽口处，逻辑电路中的三个与门由一个4073提供，反相器由4049提供，这些逻辑电路均为CD4000系列芯片，用+12V电源供电。

    当电动机起动后，霍尔集成电路H1、H2、H3分别感应出电压经过逻辑电路的组合，使“控制A相开关，V-b c控制B相开关，W=ac控制合相开关，每相绕组在一个周期内，有1/3时间导通，且每次只能一相导通，从而实现三相三状态运行。

    当“端电压为11. 7V左右、A相绕组的选通信号为高电平时，开始导通，A相绕组得到馈电，当V端电压低于VMOS管导通电压时，VMOS管关断，由于电枢绕组的电感性质，电流不会立刻消失，在二极管D和R。组成的续流回路中继续流过，并逐渐衰减。此时VMOS管漏极电压将比电源电压高一个二级管D和电阻R。的压降。图7所示的稳压二极管D是在VMOS管内部，当电源电压由意外升高或其它原因使漏极间的电压升高到超过VMOS管的击穿电压时，D。导通，使DS间电压不超过VMOS管的击穿电压，起到保护作用。

    线路原理如图6所示，这部分电路是整个控制电路的核心。

    无刷直流电动机既有一般直流电动机的优点，又能有效地解决有刷直流电动机所存在的问题。无刷直流电动机的电子控制线路是采用霍尔集成电路作为位置传感器，用VMOS管作为控制绕组的开关元件，使控制线路简单，运行可靠。

（收稿日期：1997-12-08）

 

张丽：女，1961年4月出生，讲师。