无刷直流电机的工作原理

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1、无刷直流电机原理无刷直流电动机的工作原理普通直流电动机的电枢在转子上，而 定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器 和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持 相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。无刷直流电动 机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的 结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为 定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不 起来。为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通 电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场 与转子永磁磁场始终保持左右的空

2、间角，产生转矩推动转子旋转。无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电 一体化产品。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机 十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转 子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集 成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以 控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号， 用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速 度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。无刷直流 电动机的原理简图如图一所示：主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，

3、逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。永 磁体 N-S 交替交换，使位置传感器产生相位差120的 U、V、W 方波， 结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、 011、001，通过逻辑组建处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3T6 导通、 T3-T2 导通、 T5-T2 导通、 T5-T4 导通，也就是说将直流母线 电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子 每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导 通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组 产生的磁场

4、轴线在空间转动60电度角，转子跟随定子磁场转动相 当于60。电度角空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W 按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定 子绕组产生的磁场轴再前进60电度角，如此循环，无刷直流电动 机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的 换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式 同步电动机。 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴 线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处， 电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设 启动绕组。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线

5、垂直，在铁芯不饱和 的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流XX，这正是他励直流电 动机的电流-转矩特性。电动机的转矩正比于绕组平均电流；TM=Ktlav(N?M)电动机两相组反电势的差比于电动机的角速度； ELL=Kew (V)所以电动机绕组中的平均电流为：Iav=(Vm-ELL)/2Ra(A) 其中，Vm=6 ?VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电 压，5是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流 电动机的电磁转矩：Tm=5 ?(VDC?Kt/2Ra)-Kt?(Ke3 /2Ra)Kt、Ke 是 电动机的结构常数，3为电动机的角速度(rad/s)，所以，在一定的 3

6、时，改变占空比5，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到 与他励支流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。无刷直 流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最 大值为+5V对应的最高转速：Vc(max)6n max,那么，+5V以下任何电 平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。当Vc设定以后，无 论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令 转速时，反馈电压 Vfb 变小，调制波的占空比 5 就会变大，电枢电 流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的 实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转 速高时， 5 减小，

7、 Tm 减小。发生减速度，直至实际转速与指令转速 相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允 许的过载能力以下，其稳定转速与指令转速相差在 1%左右，并可以 实现在调速范围 xx 转矩运行。由于无刷直流电动机的励磁来源于永 磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无 交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动 机高io%左右，一般来说，无刷直流电动机的能力指针（n cose） 比同容量三相异步电动机高12%-20%。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下 重载启动的同步电动机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突 变时产

8、生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多 采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电 动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。近三十年针 对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转 矩的方法，而无刷直流电动机的电流或电枢的端电压，就是直接控制 电动机转矩的物理量。过去，由于稀土永磁体价格比较高等因素，限 制了稀土永磁无刷直流电动机的应用领域，但是随着技术的不断创 新，其价格已迅速下降，例如，我公司推出推出BS系列无刷直流电 动机的售价已与异步电动机和普通变频器价格之和相差无几。稀土永 磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高

9、效率和稳态转速误差 小等特点在调速领域显现优势。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，有称无换向器 电机。早在上世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式， 即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异 步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。本世纪中 叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流 无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电 机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。实用性新型无刷电机是与电子 技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联 系的。它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信

10、号 传感等领域。在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的，但性能优 良的无刷电机因受到价格的限制，其应用还不十分广泛。下面分别就 主要的新型无刷电机进行探索与研究。1 直流无刷电动机直流无刷电 动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，而其组成是 不一样的。除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换 向电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身是与换向电路 合成一体，从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。直流 无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁 励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它 不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性

11、和使用寿命等，还涉及制造 费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流 电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、 制造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相关， 第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能 方向迈进。为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。早期用机 电位置传感器获得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方 法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置 信号。要实现电机转速的控制必须有速度信号。用获得位置信号相近 方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子 线路相结合。直

12、流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这 两部分是不容易分开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单 一专用集成电路。在功率较大的电机中，驱动电路和控制电路可各自 成为一体。驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于 控制电路。目前，驱动电路已从线性放大状态转成脉宽调制的开关状 态，相应电路组成也从晶体管分立电路转成模块化集成电路。模块化 集成电路有功率双极晶体管、功率场效应管和隔离栅场效应双极晶体 管等组成形式。虽然，隔离栅场效应双极晶体管价格较贵，但从可靠 安全和性能角度看，选用它还是较合适的。控制电路用作控制电机的 转速、转向、电流（或转矩）以及保护电机的过流、过压、过热

13、等。上 述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来看，电机 的参数应转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。当前，控 制电路有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方 式。在对电机控制要求不高的场合，专用集成电路组成控制电路是简 单实用的方式。采用数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向， 有关数字信号处理器将在下面交流同步伺服电动机中介绍。目前，在 微小功率 xx 直流无刷电动机是发展较快的新型电机。由于各个应用 领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较 多。大体上有计算机外存储器以及VCD、DVD、CD主轴驱动用扁平式 无铁心电机结构，小型通风机

14、用外转子电机结构，家电用xx磁场结 构及内装式结构，电动自行车用XX、外转子结构等等。上述直流无 刷电动机的电机本身和电路均成一体，使用十分方便，它的产量也非 常大。为了满足大批量、低成本的市场需要，直流无刷电动机的生产 必须要形成规模经济。因此，直流无刷电动机是一种高投入、高产出 的行业。同时，我们应该考虑到市场也在不断地发展，如家用空调用 电机正由3A转向3D,需要大量的中小功率的直流无刷直流电动机， 研究和开发中小功率的直流无刷电动机也成当务之急。无刷直流电机(BLDCM )是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流 是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力

15、矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波(一般 是“方波”)，另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机， 后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。无刷直 流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机 在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少 40%50%左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的 容量都在 100kW 以下。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度 好，调速XX，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一 系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。直流无刷电机的优越性直流电机具有响应快速

16、、较大的起动转 矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的 优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性 能，则电枢磁场与转子磁场XX维持90，这就要XX碳刷及整流子。 碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损 坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、 坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控 制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多， 提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机 控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电 流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。此外已 有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越 小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter, ADC)、脉 冲宽度调制(pulse wide modulator,PWM)等。直流无刷电机即是 以电子方式控制交流电机换相,得到类似直流电机特性又没有直流电