1 技術方案背景

這個方案的設想來源于我司產(chǎn)品開發(fā)工作中遇到的實際問題。

本人是一名產(chǎn)品經(jīng)理兼研發(fā)工程師，在公司的一個項目開發(fā)過程中，負責開發(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，計劃使用有刷電機作為動力源。隨著項目的推進，在和電機廠家的不斷接觸中了解到，有刷電機最大的短板是壽命問題，尤其在頻繁啟停，正反轉(zhuǎn)，大功率運行的條件下，壽命更是會出現(xiàn)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，完全滿足不了我們的需求。于是，我們只好選用無刷電機，但無刷電機成本實在太高，電機和驅(qū)動器兩者的成本費用，大大超出了預算，我們再三向電機廠家確認，有沒有不需要驅(qū)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(qū)動方案？答案是可以再降低一些，但仍然很貴。

2 有刷電機工作原理的啟示

于是我試著了解無刷電機的運行方式，看看能不能找到降低成本的突破口。由于之前對有刷電機比較了解，在了解了無刷電機運行原理之后，有一天突然產(chǎn)生一個想法：能不能讓無刷電機也像有刷電機一樣自我驅(qū)動呢？我認為有刷電機是自驅(qū)動電機，因為電機旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)改變，從而自動切換不同繞組通電實現(xiàn)自我驅(qū)動。而無刷電機是外部驅(qū)動電機，必須先通過霍爾元件感知電機轉(zhuǎn)子狀態(tài)，然后再處理位置信息，最后才控制相關繞組通斷電。所以我想，能不能讓無刷電機也做出類似有刷電機的自驅(qū)動的形式，讓轉(zhuǎn)子本身的位置狀態(tài)作為觸發(fā)條件來驅(qū)動自身運轉(zhuǎn)。從這個角度出發(fā)，我想到了光電編碼器原理，在電機轉(zhuǎn)子上增加遮光盤，通過遮光盤來實時體現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)，將光電開關產(chǎn)生的電壓的信號直接輸入的三相逆變器的控制端，以實現(xiàn)不同繞組的通斷電，從而就可能可以實現(xiàn)無刷電機的自我驅(qū)動了。

認準這個方向，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，光電開關從3個感應點到6個感應點，從單相繞組通電到多相繞組同時通電，終于在第六次，實現(xiàn)了和現(xiàn)有無刷電機相同的驅(qū)動流程和驅(qū)動時序，理論上可以和現(xiàn)有無刷電機驅(qū)動器達到相同的驅(qū)動效果。

3 技術方案具體內(nèi)容

接下來，我把最終技術方案具體介紹一下，以最常見的三相二對極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機為例，電機的組成部分和結構如下圖所示：

● 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)外兩組通關槽，通光槽中心線與轉(zhuǎn)子磁極分界線偏離15度；

● 通關槽寬度30-60度之間，小于30度可能存在啟動死區(qū)，大于60度會產(chǎn)生反向推力阻礙電機旋轉(zhuǎn)；

● 光電開關固定在定子上，其中心線與對應繞組中心線重合；

● 每個光電開關設有內(nèi)外兩個感應點。每個感應點經(jīng)過通光槽時導通；

●導通的光電開關產(chǎn)生電壓信號，用以驅(qū)動mos管。

光電開關和逆變器原理電路如下圖所示：

光電開關和三相逆變橋

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

● 每個光電開關有兩個感應點，三個光電開關共產(chǎn)生6個感應信號（a1，a2，b1，b2，c1，c2，）；

● 光電開關與三相逆變橋共地連接。

電機的自驅(qū)動時序分析如下：

圖1                                           圖2                                             圖3

以通光槽寬度30度為例：（光電開關外感應點為a1，b1，c1，內(nèi)感應點為a2，b2，c2）

● 假設初始狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子處于圖1位置。此時光電開關a1導通；

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

● AB繞組推動轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動一定角度，到光電開關c2導通，同時光電開關a1斷開，如圖3；

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

● AC繞組推動轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動30度角，到光電開關b1導通，同時光電開關c2斷開，如圖5；

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

圖4                                               圖5                                            圖6

● BC繞組推動轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動30度角，到光電開關a2導通，同時光電b1斷開，如圖7；

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

● BA繞組推動轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動30度角，到光電開關c1導通，同時光電開關a2斷開，如圖9；

圖7                                                 圖8                                              圖9

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

● CA繞組推動轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動30度角，到光電開關b2導通，同時光電開關c1斷開，如圖11；

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

圖10                                             圖11                                           圖12

● CB繞組推動轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動30度角，到光電開關a1導通，同時光電開關b2斷開，如圖13；

● 導通的a1使AB繞組通電，繼續(xù)推動轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30度，如圖14；

圖13                                           圖14

● 到此為止，定子回到圖2狀態(tài)，完成了一個循環(huán)，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180度，并會持續(xù)運行下去；

● 如此即可完成無刷電機自驅(qū)動運轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子整體運行時序如下所示：

4 自驅(qū)無刷電機優(yōu)勢

該驅(qū)動方案通過簡單的遮光盤和光電開關組件，在一定的角度設置條件下，巧妙地實現(xiàn)了無刷電機的自驅(qū)動，且其驅(qū)動流程和驅(qū)動時序與現(xiàn)有無刷電機的驅(qū)動流程和驅(qū)動時序相同，因此理論上該方案可以實現(xiàn)和現(xiàn)有無刷電機相同的啟動特性，力矩特性和效率特性，達到和現(xiàn)有無刷電機相同的性能，相比于現(xiàn)有外部驅(qū)動器的實現(xiàn)方式，自驅(qū)驅(qū)動方式更簡單，更可靠，成本更低。

我們依照該方案做出了樣機，并實際運行驗證了該方案的可行性。成品狀態(tài)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(xiàn)有的三相無感電機，感應組件位于電機尾部，相比于霍爾內(nèi)置的無刷電機，感應控制組件遠離電機內(nèi)部高溫嚴苛的工作環(huán)境，可靠性更高。另外從電機生產(chǎn)工藝角度出發(fā)，由于電機結構完全沒有改變，只需在現(xiàn)有電機尾部直接加裝感應驅(qū)動組件即可，無需改造原有電機生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)線，因此該類電機的生產(chǎn)制造更加方便。

5 技術主要應用領域

整體來看，自驅(qū)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(yōu)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(xiàn)有無刷電機控制較為復雜，功能也齊全，但很多產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品，使這些產(chǎn)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(chǎn)品性能，擴大產(chǎn)品應用范圍，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)品的應用需要，在電機基礎功能上再增加正反轉(zhuǎn)，調(diào)速，反饋，剎車或制動等其他功能，應用更靈活。

6 結束語

直流電機憑借其良好的功率因素，啟動特性和調(diào)速性能等方面的優(yōu)勢，廣泛應用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)，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(fā)展，人們對產(chǎn)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(yè)都極力追求成本控制，追求更高產(chǎn)品性能的趨勢背景之下，兼具有刷電機和無刷電機優(yōu)點的自驅(qū)無刷電機，將有著較大的市場應用前景。