無刷直流電機的原理與應用

何劍文

摘 要：無刷直流電機是在有刷直流電機的基礎上發展起來的，是一種集電機和電子一體化的高新技術產品，不僅具有體積小、重量輕、效率高、控制精度高等有點，同時還保留了普通直流電機優良的機械特性。因此，本論文介紹了無刷直流電機的結構、工作原理和性能特點，分析無刷直流電機的優越性和使用方向，展望其發展前景。

關鍵詞：無刷直流電機 性能和使用 應用場景

引 言

隨著人類社會的進步，現代家庭生活對家用電器的種類、性能、品質提出了更高的要求。特別是帶有調速電機的各種家用電器對電機的轉矩性能、運行平穩度、調速范圍、以及能效、噪音等都提出更高的要求。隨著半導體工業，特別是電子器件及微控制器的發展，變速驅動變得更加現實且成本更低。由此可見，直流無刷電機相對于其它類型電機來說是一種新型電機，它的驅動、控制更是和電子技術息息相關，因此，對無刷直流電機及其控制的方法進行系統、深入的研究有著十分重要的現實意義。

1、無刷直流電機的系統結構及工作原理

1.1無刷直流電機的組成。無刷直流電機與有刷直流電機相似，它具有旋轉的磁場和固定的電驅。這樣電子換相線路中的功率開關器件，如晶閘管，晶體管等可直接與電驅繞組連接。在電機內，裝有一個轉子位置傳感器，用來檢測轉子在運行過程中的位置，它與電子換相線路一起，代替了有刷直流電機的機械換相裝置。綜上所述，無刷直流電機由電機本體，轉子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成。

1.1.1電機本體。電機本體在結構上與永磁電動機相似，但沒有籠型繞組和其它啟動裝置。

1.1.2轉子位置傳感器。轉子位置傳感器在直流無刷電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成電信號，然后去控制定子繞組換相。

1.1.3電子換相線路。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生的磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各項繞組按一定次序導通，定子相電流隨轉子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。

1.2基本工作原理。直流無刷電機為了實現無刷換相，首先要求把一半直流電機的電驅繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉子上，這與傳統直流永磁電機的結構剛好相反，所以直流無刷電機除了由定子和轉子組成電機本體以外，還要由位置傳感器、控制電路以及工具邏輯開關共同構成的換相裝置，使得直流無刷電機在運行過程中定子繞組所產生的磁場和轉動中轉子磁鋼產生的永磁場。

2、直流無刷電機的優越性

無刷直流電機用一套電機換向裝置代替了有刷直流電動機的機械換向裝置，保留了有刷電機寬闊而平滑的優良調速性能，同時又客服了有刷直流電機機械換向帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等一系列缺點，無刷直流電機還有具有高能量密度，高轉矩慣性比、高效率等特點，在快速性、可控性、可靠性、經濟性等方面具有明顯的優勢，且制造和維護成本大大降低，其優越性體現在以下幾個方面：

2.1具有傳統直流電機的所有優點，同時又取消了碳刷、滑環結構；

2.2體積小、重量輕、出力大；

2.3全面替代直流電機調速，全面替代變頻器+變頻電機調速，全面替代異步電機+減速機調速；

2.4轉矩特性優異，中、低速轉矩性能好，啟動轉矩大，啟動電流小；

2.5可靠性高，穩定性好，適應性強，維修與保養簡單；

2.6可以低速大功率運行，省去減速機驅動大的負載；

2.7沒有無線電干擾，不產生火花，特別適合爆炸性場所，有防爆型；

2.8軟啟軟停、制動特性好，可省去原有的機械制動或電磁制動裝置；

2.9無極調速，調速范圍廣，過載能力強；

2.10耐顛簸震動，噪音低，震動小，運轉平滑，壽命長。

3、直流無刷電機兩種技術特點分析

3.1在無刷直流電機中，反電勢和驅動電流（電壓）波形為方波的電機通常稱為方波無刷直流電機，反電勢和驅動電流（電壓）波形為正弦波的電機稱為正弦波無刷直流電機。

3.2方波的優點為扭矩大、易于控制；缺點為噪音大、轉矩脈動在低速時尤其明顯；

3.3正弦波的優點為噪音小、小區轉矩脈動、低速平滑轉動、效率更高，還具有欠壓保護，過壓保護，限電流保護，堵轉保護等一系列 保護功能；缺點為控制復雜、成本高、核心算法難于突破。

3.4在高檔加點產品中，正弦波驅動系統得到了越來越廣泛的應用，而在中、低檔家電產品中方波驅動系統的價格優勢體現的更為明顯，仍將在一段時間內大量使用，隨著人們生活水平的日益提高和不斷改善生活質量的要求，無刷直流電機驅動系統必將越來越廣泛應用于我們生活的每一個角落，并向更完善的方向發展。顯然，作為無刷直流電機驅動系統的優秀代表--正弦波無刷直流電機驅動系統必然是發展方向。

4、直流無刷電機在家電領域中的應用及發展趨勢

4.1空調和冰箱中都有壓縮機電機，傳統的壓縮機用電機通常為異步電機，無刷直流電機具有明顯優點，效率高；轉速不受電壓頻率限制，有利于壓縮機提高容量、減少體積；功率因數高，降低了對逆變器的容量要求，無刷直流電機應用在壓縮機中，將會滿足現代社會節能環保要求。

4.2洗衣機中一般采用單相異步電機，近年來隨著對洗衣機功能要求的提高，無刷直流電機在洗衣機中也得到應用，不帶任何機械減速和傳動裝置，由直流無刷電機直接驅動洗衣機滾筒，采用無極調速，洗衣機低速運轉，脫水時高速運轉，故障率很低，提高產品檔次。

總 結

面對目前能源緊張，環境污染，氣候變暖，信息網絡社會和機器人產業高速發展的時代，為滿足人與自然的和諧共存，性能優良的無刷電機必將有很大市場，同時磁性材料、電力電子技術、集成電路技術和計算機技術的迅猛發展，為無刷直流電機的發揮在那提供了基礎，由于無刷直流電機具有高效率低能耗、高出力省材料、小型化輕重量和高性能高可靠等優點，已廣泛使用與合個領域，其市場前景十分看好，必將成為未來電機發展的主流。