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浅谈无刷直流电机与控制模块安规认证

发布时间2013-12-25 08:39:41 点击量:

串激式电机的应用与特性

  串激式电机也被称作电刷式电机,其具备高扭力输出的特性,经常被运用在无需精确转速控制的电动工具中,例如手提式电钻、圆盘锯或台式木工锯床、木工角度切割锯床等。在构造上使用机械式换相器,将电源供应给电机转子绕组。由于采用接触式机械结构供应电源给电机转子绕组,所以业界也经常将换相器中的供电接触器称作“电刷”,常用的电刷多以石墨或是铜箔作为材质。

  电刷长期与电动机的转子摩擦,会造成相当程度的噪声、震动、电磁干扰(EMI)以及电弧,同时磨耗的导电物质粉末也会充斥电机内部,造成若干程度的电气污染。因此,无论从产品安全、可靠度,还是从维护成本的角度,都需要进行较深入的考虑。而电机转速和扭力控制也较为复杂,一般需要使用外部的角度编码器或转速发电机来检测电机运转的资料。此外,由于转动的绕组无法安置温度保护开关或温度保险丝,因此必须依靠测试各个部位的绝缘材料(例如轴、线槽、换相器……)来评估是否会有电击与火灾的危险。

  无刷式直流电机的应用与原理

  无刷直流电机(BLDC)是利用电子换相电路将直流电源供应到电机转子绕组,因为没有机械式的电刷,所以称作无刷直流电机。由于无刷直流电机具备高效率、精准的控制性能,以及能够利用电子构装来达到安全规范的要求等特性,在全球节能、减碳的诉求下,目前广泛地被应用在冷冻空调领域,例如常见的DC变频、无刷直流等技术,其还可以应用在油电混合车以及一些高经济价值的家电如电扇等产品中。

  目前最常见的电子驱动方式,是利用霍尔效应组件或反电动势来侦测电机转子绕组的机械角度和电机角度,然后准确的控制MOSFET的开关,以达到电机持续运转。
以利用霍尔组件的方式为例,霍尔效应满足以下关系式:

  其中VH 为霍尔电压, IH 为霍尔电流,KH/d 为霍尔组件电磁系数,K 为霍尔组件不平衡系数,B 为磁通密度。由关系式可以了解,霍尔电压与磁通密度(也就是电机运转的磁场强度)及霍尔电流成正比,因此,当转子的磁轴与霍尔组件不同轴时,磁通较小。为了维持固定的霍尔电压,必须增大霍尔电流,如此便能精确的算出电机转子的导通顺序与时间。

  无刷式直流电机的特性

  霍尔组件式无刷直流电机由于利用霍尔组件来感应激磁顺序与时间,转子的相位为π/2时便可令定子导通,因此能减少不必要的电能浪费,同时也可以适时的提供转子转动所需的电磁力,大幅提升电机输出扭矩与效率,这也是所有无刷直流电机所能提供的最大优势。

  在无刷直流电机的硬件中,以电子回路取代机械式换相器和电刷,不会出现电气污染的问题。同时,对于电子电路所撷取到的电气讯号,还可以利用其他逻辑电路作讯号的放大、比较,而使电机运转效率提升。

  更重要的是,原先无法利用外加硬件保护装置来保护电机的问题得以解决,在无刷直流电机上可以利用微处理器与软件,来判断电子电路所撷取到的电气讯号,而达到对电机堵转、欠相、过负载,以及其他与安全功能相关的管理与保护。

  相对的,对于提供电子保护功能的无刷直流电机,由于使用大量的电子装置来撷取与处理电气讯号,因此必须接受电磁兼容性评估;至于软件的可靠度,应考虑到相关风险,并且在软件中有加以管理和保护,也必须予以评估。

  控制模块安规认证

  UL1004 电动机安全标准中包含对电子保护式电机的规范,其UL产品类别编号为XDNW。该标准的章节18B中清楚的要求,凡具有电子保护控制器的电机,如属于商业或家庭用途,有关控制器必须符合UL60730-1A标准;假如具有电子保护控制器的电机将只会使用在工业用途上,有关控制器则必须符合UL508标准。UL60730-1标准的适用范围为家庭用(也包含类似用途,例如商业用途)电器产品的控制器,这是一本与IEC 60730-1A标准合并的安全规范,在其附录H内提供了针对电子式控制器的相关安全规范,且包含软件及电磁兼容的条文。

  UL60730-1A将控制器依照用途,划分成运转用途及保护用途两大类。顾名思义,运转用途控制器指的是在正常操作条件下,使设备激活、运行的控制器,例如机械式单相交流电机激活开关,就属于运转用途控制器。而保护用途控制器,指的则是当设备在非正常的操作条件下,提供危害防护功能的控制器,例如防止无刷直流电机因为堵转、欠相或是过负载,而造成功能不正常,甚至导致电击、火灾发生的控制器,就属于保护用途控制器。

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