无刷油泵工作原理（直流泵有刷和无刷哪种好）

最近有一些关于电子换向电机(EC) 燃油泵的操作和诊断的询问，我认为这是一个很好的话题，所以我在这里分享。

我们必须学习并掌握EC的工作原理。未来，EC可以通过三相电机为混合动力汽车或纯电动汽车提供动力。

长话短说，这是一辆3.0 升V6 汽油车奥迪SQ5，发动机代码CWGD，燃油泵(G6) 燃油压力不足。请注意，燃油泵G6集成到燃油输送装置总成中，组合到燃油供给单元（GX1）中，然后安装在燃油箱中。燃油泵通过外部燃油泵控制单元（J538）进行控制，实现直流电到三相交流电的转换。需要记住的是，我们要求燃油泵能够在任何负载条件下从油箱向发动机输送足够的燃油。在图1中，我们连接Pico示波器4823来捕获故障燃油泵上的三相电压和电流信号。

图1 各相电压、电流

那么为什么燃油泵上有如此复杂的控制系统呢？

性能、有限控制、可靠性和耐用性都是这个问题的答案。除了支撑轴承外，该电机的磨损很少。由于没有电刷，运动电机部件之间没有接触。这消除了有害的摩擦和电弧。 （此类电机称为BLDC，无刷直流电机）

有刷电机经常会出现磨损和电弧（火花），如图2 和3 所示。

图2 有刷电机磨损情况

图3 有刷电机出现火花

除了我上面介绍的一些EC电机原理之外，大家还可以观看下面的讲解视频：

为了让电机中的转子旋转，我们需要在定子周围产生一个旋转磁场，转子就会跟随这个磁场旋转。如果将转子连接到泵件，则可以将旋转运动转换为物理压力。这一工作原理适用于所有应用，无论EC 电机连接到变速箱、车轮还是输出轴。

在图4 中，我们放大波形并分析泵/电机运行期间电压和电流的变化。注意通道A、B、C 上的电压如何在0 V 处截止，但电流方向相反！

图4 电压与电流对应关系

我们捕获的直流电压信号并不能说明全部情况，因为我们测量的是接地电压。实际上，将图中的电压信号反转，是为了反转通道D、E、F捕获的各相绕组电流。

如果您希望捕获负电压，则需要针对您想要了解的相位使用差分探头。特别是在测试高压系统时，将使用差分探头并确保您拥有适当的培训和防护设备。

综上所述，通过测量“电流”，可以以非侵入的方式揭示整个电机的工作状况，并提供一些数据作为证据。测量电流显示：

电机的其他运行特性：磁场/线圈绕组是否完好；电机/泵动作控制电路是否正常；电机频率/速度；电机负载条件。这里提一下，磁场确实对电压和电流有影响。最好的例子是在测量喷油器电流时存在一个转折点。在图5 中，我们捕获了针阀的初始动作（喷油器打开），然后线圈绕组周围的磁场发生变化（从而导致电流信号发生变化），并且当针阀返回到阀座时（喷油器关闭）再次产生感应电压（反电动势）。

图5 喷油器电压和电流

那么这和我们的BLDC 电机有什么关系呢？

图6波形显示，正峰值电流和负峰值电流之间有一段零电流，转子磁极和定子磁极分别为“N极”和“S极”。

图6 确定转子位置

在图6中A通道信号的每个起点和终点附近，灰色矩形框中的电压信号比较特殊（每个电压信号具有相同的特征）。相电压信号是从通电到断电的电流过程中绕组中产生的感应电压。燃油泵控制器根据该电压确定转子的位置。无需添加额外的旋转变压器或霍尔效应位置传感器。可以确定转子的位置。

了解转子的位置对于确定定子绕组通电并产生旋转磁场(EC) 的顺序至关重要。

请注意，由于上述原因，我们无法看到每个电压相结束时的反向感应电压（参见图4 下面的段落）。也就是说，我们可以看到末端有一个间隙，但是在这个间隙中，负电压出现了很短的时间，然后又瞬间消失了。还有一件事，在我们进行数学计算之前，请注意电源频率和转子/泵转动频率之间的关系。

图7 电源频率与转子旋转频率的关系

电源频率与电机（转子/泵）旋转频率的关系与磁极对数有关，磁极对数=转子极数/2。

假设我们的泵包含一个4 极转子（1 对N 极和1 对S 极），因此转子极对数为4/2=2。换句话说，4极转子的电源频率除以2就是转子的旋转频率。换句话说，对于4 极转子，转子旋转一圈需要2 个功率循环。

如果您不知道转子的极数，可以使用光学传感器捕获电机的旋转频率信号（如果可能），并使用示波器捕获三相之一的电流。

然后在电机的一个旋转周期内，计算某一相电流信号的周期数，然后乘以2即可得到转子极数。图8通过上述方法计算出三相电机的转子极数为30。

图8 计算转子极数

请注意，由于减速齿轮等原因，转子可能无法直接连接到光学传感器，导致转子旋转频率的捕获不准确，这肯定会导致转子极数的计算出现错误。

现在我们回到有故障的燃油泵，我们可以从图1 中捕获的原始数据中收集哪些信息？

使用数学通道LowPass ((abs(D) + abs(E) + abs(F)) * 0.333,50) 确定燃油泵消耗的平均电流（包括来自所有三相的电流）。

LowPass可以平滑交流纹波，即低通滤波； (abs(D)+abs(E)+abs(F))*0.333为三相整流平均电流值；

50指的是低通滤波的频率（50Hz）。为了计算转子/泵的转速，使用数学通道60*2*freq(D)/4（60*2*电源频率/转子极数）。

60是将Hz转换为RPM；由于交流电流有正负之分，所以需要乘以2；除以4 因为我们的转子有4 个极。注意：转子/泵速度取决于电源频率和转子极数。

增加电源频率会增加转速，但会降低扭矩。增加转子极数会降低速度，但会增加扭矩。

图9 燃油泵故障

在上面的图9中，您可以看到该燃油泵以10,000 rpm的固定速度运行，消耗平均电流为7.6A。

现在将其与图10 中新的正常燃油泵捕获的波形进行比较。

图10 正常燃油泵

肯定有区别。检查图10中燃油泵的转速和电流消耗，空载时转速约为3200rpm，电流为5.4A。另请注意，时间尺度之间的当前频率（D 通道）降低至109.1 Hz，导致泵速降低。燃油泵在最大负载工况下工作时，转速约为7787rpm，消耗电流为10.4A。

综上所述，新型燃油泵的电流在3200转时保持在5.4A，这是为了在空载情况下保持足够的燃油压力（较低的电流和较低的转速以获得足够的燃油压力）。由于燃油压力不足，旧燃油泵电流为7.6A，转速为10,000rpm。可以肯定的是，测量电流可以揭示燃油泵的工作情况，这在图10 中负载下燃油泵的波形中非常明显。那么，旧燃油泵有什么问题呢？请记住，压力作用于燃油流动的相反方向。图9 中捕获的燃油泵信号显示泵以10,000 rpm 的速度输送燃油，但这些燃油流向何处？接下来我们看看集成在燃油供应单元（GX1）中的燃油压力调节器的隔膜。

图11 隔膜破裂

当燃油压力调节器内的隔膜破裂时，旧燃油泵发生故障，导致大部分燃油流回油箱，而不是沿着燃油管路流到发动机舱。