无刷直流电机的工作原理

1、1.2 无刷直流电机的工作原理 1.2.1 无刷直流电机的特点 直流电机主要有直流有刷电机和无刷直流电机两种。 1 有刷直流电机 直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点著称，其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器，使得驱动方法简单，其模型示意图如图 1.2 所示。 电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子（电枢） 、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流， 电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样，直流电机的转子就会持续运转下去。由些可见，换向器和电刷在直流电机中扮演着重要的角色，虽然它可以简化电机控制器的结构，但是，它自身却存在一定的缺点：

2、z 结构相对复杂，增加了制造成本； z 容易被环境（如灰尘等）影响，降低了工作的可靠性； z 换向时会产生火花，限制了使用范围； z 容易损坏，增加了维护成本等。 2 无刷直流电机 无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）的诞生，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。 图 1.3 所示无刷直流电机模型，它是从图 1.2转化过来的模型。它主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器（可有可无）组成

3、。可见，它和直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构差不多（原来的定子变为转子，转子变为定子） ，绕组的连线也基本相同。但是，结构上它们有一个明显的区别：无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构就相对简单，降低了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不能自动换向 （相） ， 牺牲的代价是电机控制器成本的提高 （如同样是三相直流电机，有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管，而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管） 。 图 1.3 所示为其中一种小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机，它的定子在内，转子在外，结构和图 1.2 所示的直流电机很相似。

4、另一种无刷直流电机的结构和这种刚刚相反，它的定子在外，转子在内，即定子是线圈绕组组成的机座，而转子用永磁材料制造。无刷直流电机有以下的特点： z 无刷直流电机的外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩； z 无刷直流电机的速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行； z 无刷直流电机的效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现； z 无刷直流电机的再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发电机状态； z 无刷直流电机的体积小，功率密度高； z 无刷直流电机无机械换向器，采用全封闭式结构，可以防止尘土进入电机内部，可靠性高； z 无刷直流电机比异步电机的

5、驱动控制简单。1.2.2 无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来，只有实时检测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来。 如图 1.4 所示为无刷直流电机的转动原理示意图，为了方便描述，电机定子的线圈中心抽头接电机电源 POWER，各相的端点接功率管，位置传感器导通时使功率管的 G极接 12V，功率管导通，对应的相线圈被通电。由于三个位置传感器随着转子的转动，会依次导通，使得对应的相线圈也依次通电，从而定子

6、产生的磁场方向也不断地变化，电机转子也跟着转动起来，这就是无刷直流电机的基本转动原理检测转子的位置，依次给各相通电，使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化。在下文介绍无刷直流电机的有位置传感器驱动的一节，将会进一步介绍无刷直流电机的转动原理。 为了方便理解，本文档以下内容统一用如图 1.5 所示的这两种符号作为模型简介，图 A为电机转子和定子在同一圆心上，图B 为不同一圆心上，是为了方便说明电机内部磁场。详细请看下文。1.3 无刷直流电机的驱动方法 无刷直机电机的驱动方式按不同类别可分多种驱动方式，它们各有特点。 按驱动波形： z 方波驱动，这种驱动方式实现方便，易于实现电机无位置传感器控制； z