無刷直流電動機的工作原理

摘 要：無刷直流電動機利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，因此使這種電動機不僅保留了直流電動機的優點，而且又具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等特點，是他一經出現就以極快的的速度發展和普及。本文詳細分析了三相直流無刷電機的結構和工作原理。

關鍵詞：無刷直流電動機 ，結構，原理。

一、 無刷直流電動機結構

1. 機體機構

無刷直流電動機的轉子是由永磁材料制成的、具有一定的磁極對數的永磁體。與永磁同步伺服電機非常類似，轉子的結構分為兩種：第一種是將瓦片狀的磁體貼在轉子外表上，稱為凸極式；另一種是將永磁體內嵌到轉子鐵芯中，稱為嵌入式，如圖1.1。但與永磁同步電動機的轉子有所區別，為了能產生梯形波感應電動勢，無刷直流電動機的轉子磁鋼的形狀呈弧形（瓦片狀），磁極下定轉子氣隙均勻，呈梯形分布。定子上有電樞，這一點與永磁有刷直流電動機正好相反，永磁有刷直流電動機的電樞裝在定子上。無刷直流電動機的定子電樞繞組采用整距集中式繞組。繞組的相數有二、三、四、五相，但應用最多的是三相和四相。各項繞組分別與外部的電子開關電路相連，開關電路中的開關管受位置傳感器的信號控制。

無刷直流電動機的工作離不開電子開關電路，因此由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關電路三部分組成了無刷直流電動機控制系統。直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測到轉子所處的位置，并根據轉子的位置信號來控制開關管的導通和截止，從而自動的控制了通電，那些繞組斷電，實現了電子換向。

2. 無刷直流電動機的控制系統結構

無刷直流電動機主要由電動機本體、位置傳感器和逆變器電路三部分組成。無刷電機的轉子一般為含有稀土的永磁體，當定子一相繞組通電，該相繞組產生的磁場與定子磁場產生力作用，驅動定子轉動。由轉子位置傳感器把轉子的位置信號反饋給控制器或電子開關線路，控制器或開關線路控制定子繞組按照一定次序導通，來產生旋轉的磁場驅動轉子連續旋轉。由于電子開關線路的導通次序和轉子轉角是同步的，所以電子開關線路就起到了與機械換相器類似的控制作用。因此，所謂直流無刷電動機，就其基本結構而言，可以認為是一臺由電子開關線路永磁同步電動機以及位置傳感器三者組成的“電動機系統”。

3. 逆變器

直流無刷電動機的逆變器用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏輯開關單元和位置傳感器信號處理單元兩部分組成.功率邏輯開關單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定的邏輯關系分配給電動機定子上的各相繞組，以使電動機產生持續不斷的轉矩。而各相繞組導通順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。但是位置傳感器的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關單元，往往需要經過一定邏輯處理后才能去控制邏輯開關單元。逆變器主電路有橋式和非橋式兩種，雖然電樞繞組與逆變器的聯結形式多種多樣，但應用最廣泛的是三相星型六狀態和三相星型三狀態。早期的直流無刷電動機的逆變器多由晶閘管組成，由于其關斷要借助反電動勢或電流過零，造成換流困難，而且晶閘管開關頻率較低，使得逆變器只能工作在較低頻率范圍內。隨著新型可關斷全控型電力電子器件的發展，現在的逆變器在大功率、低頻率時多由GTO、GTR器件組成，在中小功率的電動機中逆變器多由功率MOSFET 或IGBT構成，具有控制容易、開關頻率高、可靠性高等諸多優點。

4. 轉子位置傳感器

轉子位置傳感器在直流無刷電動機中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，即將轉子磁鋼磁極的位置信號轉換為電信號，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器的種類很多，且各具特點。目前，在直流無刷電動機中常用的位置傳感器有以下幾種類型：

1.電磁式位置傳感器

電磁式位置傳感器是利用電磁效應來實現其位置測量作用的，主要有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關等多種類型，在直流無刷電動機中，用的最多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、使用環境要求不高、結構簡單和緊湊等優點。但是這種傳感器的信噪比比較低，體積較大，同時輸出信號為交流，一般需要整流、濾波以后才能使用。

2.光電式位置傳感器

這種傳感器是利用光電效應制成的，由跟隨電動機轉子一起旋轉的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。光電式位置傳感器的性能比較穩定，但存在光源燈泡壽命短、使用要求較高等缺陷，若采用新型光電元件，可克服這些不足之處。

3.磁敏式位置傳感器

磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數按照一定規律隨周圍磁場變化的半導體敏感元件，其基本原理為霍爾效應和磁阻效應。目前，常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多種。本直流無刷電機系統使用的就是霍爾集成電路。

除了上述三大類位置傳感器外，還有正余弦旋轉變壓器和編碼器等多種位置傳感器。但是，這些元件成本較高，體積較大，而且所配電路復雜，因而在一般的直流無刷電動機中很少采用。

二、無刷直流電動機的工作原理

下面說明直流無刷電機的運行原理和特點。此處主要說明的三相全控橋兩兩導通原理。所謂兩兩導通方式是指每一瞬間有兩個功率管導通，每個1/6周期（60度電角度）換相一次，每次換相一個功率管，每一個功率管導通120度電角度。各功率管的導通順序是V1V6，V6V3，V3V2，V2V5，V5V4，V4V1。當功率管V1V6導通時，電流從V1管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經V6管回到電源.設Ta、Tb、Tc為三相繞組產生的力矩矢量，當電流從A相流入C相流出時，它們合成的轉矩如圖2.2所示，其大小為 T，方向在Ta和—Tc的角平分線上.當電動機轉過60度之后，由VlV6通電換成V3V6通電。這時，電流從VF3流入B相繞組再從C相繞組流出，經V6管回到電源，此時合成轉矩如圖2.2b所示，其大小同樣為 T。但合成轉矩T的方向轉過了60電角度。而后每次換相一個功率管，合成轉矩矢量方向就隨著轉過60度，但大小始終保持 T不變。

所以，同樣一臺直流無刷電動機，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時，采用三相星型連接全控電路，在兩兩換相的情況下，其合成轉矩增加了萬倍；每隔60換相一次，每個功率管通電120度，每個繞組通電240度，其中正向通電和反向通電各120度。為了增大電機轉矩，可以采用三三通電的控制方式，分析方法與上面類似。

參考文獻：

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