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1、直流无刷电机 基本原理 q BLDC电机 在了解永磁电机之前，为便于理解永磁电机 工作的基本原理，我们先简要回顾一下电磁感应 方面的一些基本理论及我们比较熟悉的普通三相 异步电动机和单相异步电动机与直流电机的基本 工作原理。通过对比分析，有助于我们快速的掌 握永磁电机的基本工作原理。首先，来了解一下 电磁感应方面的一些基础知识。 3 磁与电磁 一、磁的基本知识 1、磁性 :能吸引铁、镍等金属或合金的性质。 2、磁体 :具有磁性的物体。 3、磁极 :磁体上磁性最强的部位，有S极和N极，磁极间同性相 斥,异性相吸。 4、磁力 :磁极间的相互作用力。 5、磁场 :磁极周围存在的一种特殊物质,具有力和
2、能的特性。 6、磁力线 :为描述磁场的强弱和方向而引入的假想线。在磁极外 部由N指向S，在磁极内部由S指向N。磁力线越密磁场越强，磁 力线越疏磁场越弱。 4 二、电流的磁场 1920年，科学家奥斯特发现，在电流周围存在磁场（动电 生磁），即电流的磁效应。 电流与其产生磁场的方向可用安培定则来判断，既适用于判断电 流产生的磁场方向，也适用于在已知磁场方向时判断电流的方向 。 1、直线电流产 生的磁场 2、环形电流 产生的磁 场 5 三、磁场对电流的作用 1、通电导体在磁场中会受到力的作用，电 磁力的方向符合左手定则。 伸开左手，四指并拢，拇指与四指垂直，并 且在同一平面里，让磁感线垂直穿过手心，
3、使 四指指向电流方向，这时大拇指所指的方向就 是通电导线在磁场中所受磁场力的方向。 左手定则 6 7 2、我们常使用通电导体在磁场中某点受到的电 磁力与导体中电流和导体的有效长度的乘积的比值来 表示该点磁场的性质，并称为该点的磁感强度B。 即： B= F IL B：均匀磁场的磁感强度（T） F：通电导体受到的电磁力（N） I：导体中的电流强度（A） L：导体在磁场中的有效长度（m） 8 3、一匝匝数为N的线圈在磁场中，若与线圈交 链的磁通发生变化，则线圈上会感应出电动势e, 称为电磁感应, e的正方向与符合右手螺旋定则。 E=-N/t 上式的含义是指，电磁感应的电动势与线圈匝数和磁通的变化率成
4、正比 。负号是指在感应电动势作用下而在线圈里产生的感应电流所产生的 将逆着变化。 1）变压器电动势：线圈与磁场相对静止，只有磁通变化。 2）运动电动势：线圈与磁场相对运动，引起磁通变化。 符合右手定则。e=Blv 9 10 前面，我们回顾了电磁感应方面的一些基础知识，下面我们在此基础上开始了解电机 方面的理论知识，首先，来了解下右手定则。 12 三相异步电动机的三相定子绕组以互隔1200的方式嵌放在定子铁芯 中。当三个绕组分别接入三相交流电后，便可以产生旋转磁场。 实际三相电动机 的旋转磁场是如 何产生的呢？ t 0 i A A X X B B Y Y C C Z Z 规定：电流为正值时，电流
5、从绕组首端流入，从末 端流出；电流为负值时，电流从绕组末端流入，从 首端流出。 13 A A X X B B Y Y C C Z Z t 0 i t=0时电时电 流和磁场场情况 A、C两相电流t=0时为正，因此首端流入、末端流出。 B相电流t=0时为负，末端流入、首端流出。 电流入 电流出 N N S S n0 相邻线圈电流流向一致，在气隙中生成合成磁场。 14 t 0 i t =120 A A X X B B Y Y C C Z Z t =120时电时电 流和磁场场情况 N N S S n0 可见当电流随时间变化120，电动电动 机的磁场场在空间间的位置也随 之旋转转了120。 观察电流波形
6、图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相电流 的顺序，ABC正序时时气隙磁场顺时针场顺时针 旋转转。 15 t 0 i t =240 A A X X B B Y Y C C Z Z t =240时电时电 流和磁场场情况 N N S S n0 观察电流波形图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相电流 的顺序。 16 t 0 i t =360 A A X X B B Y Y C C Z Z N N S S n0 电流随时间变化一周，电动电动 机的气隙磁场场在空间间的位置也顺时针顺时针 旋 转转了360。表明磁场场的旋转转速度与电电流变变化的频频率有关。 t =360时电时电 流和磁场场
7、情况 17 归纳：归纳： 只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流 电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间变化的旋旋 转磁场转磁场。 18 A A X X B B Y Y C C Z Z n0 三相异步电动机工作原理概括 在电动机对称三相定子绕组中通入 对称三相交流电流 产生气隙旋转磁场 N N S S 转子导体与磁场相切割，生成感 应电动势、感应电流 载流导体受电磁力的作用形成力偶 力偶对电机转轴形成电磁转矩 从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来。 F F 若要改变电动机的旋转方向，只需任调通入定子绕组中 两相电流的相序即可。 19 很明显，电动机上存在两个转速，
8、一个是旋转磁场转速n0，一个是转子的 转速n。 电动机的转速n能等于旋 转磁场的转速n0吗？ 如果二者相等，则转子与旋转磁场之间 产产生感应电应电 流成为载为载 流导导体不是载载流导导体就无法在磁场场中 就没有了相对切割转转子不切割磁场场就不能 受力不受力电动电动 机就永远转远转 运不起来。 n n n n 0 0 ，异步异步！ 20 单相异步电动机的定子磁场 单相机定子 单相机转子 t 0 i 在定子绕组中通入单相交流电 电流正半周，线圈导体中通过 的电流始终为正值 合成磁场随时间大小不断变化， 但磁场轴线的位置始终不变。 N N S S 电流的负半周，线圈导体中通 过的电流方向始终为负 S
9、 S N N 合成磁场随时间大小不断变化， 但磁场轴线的位置始终不变。 显然，单相异步电动机的定子磁场是一个大小和方向随时间不断变化、 但磁场轴线位置始终不变的脉动磁场。所以单向异步机的转子不会自行 起动，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。 21 如何使单相异 步电动机旋转 起来呢？ 电容分相法可让单相异步机转动 电容分相式异步电动机的定子有两个绕组： 一个是工作绕组；另一个是起动绕组，两个绕组在 空间对称嵌放。起动绕阻与电容C串联，使起动绕组 电流i2和工作绕组电流i1产生90的相位差，即： 加入起动绕组后，和工作绕组并联连接于单相交流电源上。 可见，单相电动机定子两绕组的合成磁场也是一
10、个随时间空间位置不 断变化的旋转磁场。单相电动机也因之可以自行起动了。 A X BY A X B Y A X B Y q BLDC电机 q BLDC电机 前面我们对普通三相及单相电机进 行了简要的分析，下面主要来了解下 永磁电机的基本工作情况。 r r g g b b N S A C B Z Y X n模拟结构图 qBLDC电机 n定子 定子绕组一般制成多相（三、四、五相不 等），通常为三相绕组。三相绕组沿定子 铁心对称分布，在空间互差120度电角度， 通入三相交流电时，产生旋转磁场。 qBLDC电机 q BLDC电机 共有6种电流流动方向； 于是电机就能换相，并运行。 电机工作原理 q BL
11、DC电机 电机运转时的波形 n转子 转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作 为永磁材料。 采用永磁体简化了电机的 结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗， 提高电机的效率。 qBLDC电机 q BLDC电机 常用磁铁材料：稀土磁铁和铁氧体磁铁 钕铁硼，简单来讲是一种磁铁，和我们平时见到的磁铁所不同的是，其优异 的磁性能而被称为“磁王”。 钕铁硼中含有大量的稀土元素钕、铁及硼，其特性硬而脆。由于表面极易 被氧化腐蚀，钕铁硼必须进行表面涂层处理。表面化学 处理是目前很好的解决 qBLDC电机 方法之一。钕铁硼作为稀土永磁材料的一种具有极高 的磁能积和矫顽力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永 磁材料在现代工业
12、和电子技术中获得了广泛应用，从而 使仪器仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻 量化、薄型化成为可能。钕铁硼的优点是性价比高，具 良好的机械特性；不足之处在于居里温度点低，温度特 性差，且易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分和采 取表面处理方法使之得以改进，才能达到实际应用的要 求。 q BLDC电机 位置传感器：位置传感器大部分采用霍尔器件。位置传感 器和定子绕组是固定不转的，转子是永久磁铁，磁铁经过转子位置 传感器后，霍尔器件产生一个脉冲。 q BLDC电机 当将一块通电的半导体薄片垂直置于磁场中时，薄片两侧由此 会产生电位差，此现象称为霍尔效应。 霍尔集成电路具有无触点、无磨损、无火
13、花、低功耗、寿命长、 灵敏度高、工作频率高的特点。 霍尔集成电路是霍尔元件与电子线路一体化的产品，它是由霍尔 元件、放大器、温度补偿电路和稳压电路利用集成电路工艺技术 制成的。它能感知一切与磁有关的物理量，又能输出相关的电控 信息，所以霍尔集成电路既是一种集成电路，又是一种磁敏传感 器。 . 安装槽的底部要平，不能歪斜，否则会导致霍尔器件倾斜放置，电机产生噪 音。 . 用铲子等工具清理安装槽的底部和侧部，去除可能会刮伤霍尔器件 器件的 毛刺。 . 粘接霍尔器件要使用AB胶。粘接时只能涂敷于霍尔器件的底面和侧面，不能 粘接表面，否则会降低灵敏度。其步骤是：首先是在背面涂敷一点胶，用手指 压平霍尔
14、器件即可。 . 为防止腐蚀，不可使用502胶。 . AB胶发热时 ，不可粘接霍尔器件，否则会导致霍尔器件受热。 . 粘胶必须完全干燥后方可通电检测 。 . 三个霍尔器件位置要平放，顶部要对齐 (处于一条线上)，否则,不同的位置 会导致霍尔器件的输出不同。 . 霍尔器件的引脚要平直，尽量避免弯曲。 霍尔元件装配注意事项： 霍尔位置传感器 霍尔位置传感器，因结 构简单、安装方便、灵 活，易于机电一体化， 获得了广泛应用。霍尔 元件特性是：在磁场中 有电流流过时，其横向 出现电势电压(见图)。霍 尔元件的控制极分别接 入电源，输出端x1、X2 、Y1及Y2分别输出信号 ，控制晶体管BGl-BG4的
15、开、关。 根据霍尔元件的特性 ，当主转子N极在定子Yl 位置时，在霍尔元件HGl 中产生x1方向上的电势 ，此信号使BG4导通，与 BG4串联的 q BLDC电机 绕组WXl中有电流流过，并使定子x1极磁化为s极吸 引转子旋转90度，N极到达定子xl位置，此时HGl的 输出为0，在霍尔元件HG2中产生Y2方向上的电势， 此信号使BG3导通，使绕组wY2中有电流流过，并使 定子Y2极磁化为s极吸引转子继续旋转90度，N极到 达定子Y2的位置，此时HG2输出为0，s极对准。HGl ，因而在：HGl中产生x2方向的电势，同样使BG2， WX2导通，使转子继续旋转90度。因此对于不同的主 转子位置，霍
16、尔元件依次输出不同的信号，使主定子 绕组按wXlwY2WX2wYl的顺序轮流通电，形 成旋转磁场，使转子旋转。 电路器件简化图释 电 池 控制器 电 机 转 把 刹 把 仪 表 大 灯 前转向灯 巡航开关 喇 叭 后转向灯 前刹车灯 后尾灯 电源开关 喇叭开关 大灯开关 转向开关 后刹车灯 q BLDC电机 q BLDC电机 q BLDC电机 1. 磁回路分析法 图1-4 q BLDC电机 在图1-4中，当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则， 会产生方向指向右的外加磁感应强度B（如粗箭头方向所示） ，而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方 向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就 会按顺时针方向旋转了。 “当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动 力矩最大
