单相直流无刷电机实验报告

特种电机实验

---无刷直流电机的特性分析

学号：

姓名：

日期：2014-6-17

单相无刷直流电机实验

实验大纲

一、实验目的

a通过动手拆卸风扇，观察内部结构，了解单相直流无刷电机的物理结构；

b通过对直流无刷电机驱动电路的测试、分析，学习单相直流无刷电动机

的控制方法；

c通过自行设计实验，测试直流无刷电动机驱动电路的电气特性以及直流

无刷电动机的调速特性。

二、实验设备

本实验的实验对象为轴流风扇用直流无刷电动机（DC Brushless Fan），型号为NMB 2406KL-04W-B36，额定电流0.14A。其所属型号系列（NMB 2406-04W-B30）的各项性能参数如下：

实验用到的其它操作测试设备如下：

万用表，电压源，示波器，光电反射式转速表，电烙铁等。

三、实验原理

直流无刷电机结构

散热风扇从通电切换磁场的方式区分，可以分为有刷和无刷两种。有刷电

机寿命短，会产生电火花。无刷电机没有碳刷的磨损，寿命长，容易高速运行，无火花，已逐渐取代有刷电机。

使用直流无刷电机的风扇的组成结构如下图

分为转子和定子两部分。转子包括扇叶、轴心、磁环、磁环外框及油圈。定子包括轴承、PCB驱动电路等。

驱动控制部分主要由霍尔元件，驱动芯片等组成。

电机绕组部分，由矽钢片、漆包线和上下绝缘线架组成。矽钢片的功能是负责将磁极导出，以便于确定N、S的强弱；而绕组决定磁力线的方向性，包括N、S极和控制信号，不断改变绕组极性，推动磁框运转，达到做功的目的。定子绕组多为四相（实际为单相串联）对称分布，即互成90°夹角。

固定磁场部分：由磁环提供固定磁场，以用于旋转时的动力。

直流无刷电机工作原理

通常直流电机的定子由永久磁钢组成，它的主要作用是为了在气隙中形成

磁场，电机的电枢绕组通电后能够产生感应磁场，电机在运行过程中，由于电

刷的作用，上述两个磁场的方向总是相互垂直，从而产生最大的输出转矩。单

相直流无刷电机中除掉了电刷，为了实现无电刷换向，首先将直流电机的电枢

绕组至于其定子位置上，相对应的将永久磁钢置于其转子位置上，这和传统直

流电机的结构相反，但是这样做并不够，由于使用直流电源给定子绕组供电时，只能够产生不能移动的磁场，但转子磁钢所产生的磁场总是处于运动状态，所

以他们不能够相互垂直，这样也就不能够驱动转子旋转。因此，单相直流无刷

电机系统除了电机转子和定子组成本体之外，还需要由控制电路、位置传感器

及功率逻辑开关构成的换向装置。上述组合在一起才使得单相直流无刷电机运

行过程中定子绕组产生的磁场与转子磁钢转动产生的磁场，在空间中始终保持90°左右的电角度，从而驱动电机不断的旋转。单相直流无刷电机的绕组形式

有两种：双极性绕组和双绕线绕组。

启动电压：是指当突然通电后，能够使风扇启动的最小电压，这是由控制

芯片的工作电压等决定的。

风扇除正负两条电源线以外，还有第三条线，输出RD信号。RD信号的作

用是供外部系统计算风扇的转速,还有当风扇出现异常停止转动时,信号线输出

高压信号反馈给系统报警。

四、实验要求

1）拆卸电机

仔细观察轴流风扇用直流无刷电动机，拆开电机，注意不要损坏电机和

PCB电路。

2）分析电机结构与电路

分析电机的物理结构以及控制驱动电路的元件及工作原理，画出电路原理图。

3）设计实验方案

根据实验对象的特点，设计实验方案。要求测量出电机的调速特性曲线、

始动电压、电压-电流关系曲线。

五、实验步骤

1、拆卸电机，观察内部结构。

转子的拆卸：撕开后面不干胶商标，压住转子，用镊子或尖嘴钳从尾轴端部抠出轴塑料扣环，拔出转子。

定子拆卸：定子是热压塑料固定的，需要从后尾用尖头电烙铁烫开一圈才能拆下，易损坏，要小心，烙铁不能烫的太深，以免损坏PCB板上的元器件。如果损坏，则根据对电路板的分析确定监测点，在完好的电机背后钻孔，焊接检测引线测量。

2、分析电机结构和PCB电路。

分析记录电机的结构，通过测试PCB电路，查询芯片手册，绘制控制驱动电路原理图，分析控制原理，并确定需要检测的信号或者测试量。

3、分析测试控制电路电气特性。

根据得到的控制驱动电路，在合适的位置焊接引线，测量要检测的信号或控制量。

将转子重新装回定子上，安上塑料扣环。连接供电电源，逐渐提高电压，直到风扇开始转动，记录此时的电压值，此电压即为该风扇的启动电压。

4、测试电机的调速特性

在风扇的一个叶片上粘贴一反光片（胶带或白纸片），如此可通过使用光电反射式转速表测试电机转速n。

在电源接线的+或-钳住电流钳，以获得电流值I。

RD信号接示波器，可观察控制芯片给出的驱动电源频率f。

在启动电压的基础上逐步增加电压至额定电压，读取并记录电机转速n，电流I,驱动电源频率f。

在额定电压的情况下，逐步降低电压至停止运转电压，读取并记录电机转速n、电流I、驱动电源频率f。

绘制两种情况下的电压-转速，转速-电流曲线。

六、实验注意事项

实验过程中，需要注意以下事项：

1、拆开电机要细心，避免损坏电机无法复原，两个电机留一个备用。

2、拆开过程中注意观察与分析，判断电机极对数，确定检测点位置。

3、实验仪表量程选择要注意风扇电机的额定参数，不要过载。

4、风扇电机的控制电路和功率开关电路是集成在一起的，电源电压不能反向加入。电压上限不要超过额定电压的20%。

5、开始运转的电压下限值并不是电机的始动电压，而是控制电路开始工作的电压，所以要区分开。

6、注意定子铁心的不对称磁路。

7、如果用示波器测量定子电流频率来测量转速，注意极对数与转速的关系。

8、测量转速时，最好将电机固定，以免其振动影响到电机运转。

七、实验总结

总结本次实验中遇到的一些问题和难点，以及所学到的新知识，对永磁无刷直流电机的一些新认识。