无刷直流电动机的工作原理

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直流无刷电动机是一种自控变频的永磁同步式电动机，由电动机本体、转子位置传感器、电子开关电路三部分组成，其各部分的具体介绍如下所示：

（1）电动机本体

电动机本体互换了普通直流电动机的定子和转子，从而使其转子变成了永久磁铁，用于产生气隙磁通；定子作为电枢，由多相绕组组成，经由驱动器接到直流电源上。在整体结构上，有刷直流电动机类似与永磁式同步电动机。

（2）转子位置传感器

转子位置传感器是直流无刷电动机的核心部件，有电磁感应式、光电式、磁敏式等几种结构形式，用于代替直流电机的电刷，用于提供电动机转子与定子的相对位置，对电动机的特性具有很大的影响。

（3）电子开关电路

电子开关电路由功率开关管和逻辑控制电路组成，用于控制电动机定子绕组通电的顺序和导通的时间，实现电子换向（各相依次通电产生电流，跟转子主磁场作用产生转矩）。

直流无刷电动机的结构组成如图

无刷直流电动机的工作原理

针对直流无刷电动机，当其换向由可关断器件控制和完成时，可等效于有三个换向片的直流电动机。此时，因为结构上的限制，电枢绕组以及变频器通常处于静止不动的状态，而磁极处于旋转的状态，其工作原理以及具体分析如下图2中的（a）（b）（c）所示。

通过对图2进行分析可以看出：

（1）当电机的电枢按照一定的顺序依次转过60度时，直流电机的位置情形如图4-2（a）所示。

（2）基于直流电机运动的相对性能，当磁极和电机电刷向相反的方向按照一定的顺序依次转过60度时，电枢之中各导体电流也不会有所变化，从而可以确定电机电枢和换向器在空间的位置没有发生变化，

具体如图2（b）所示。

（3）通过进一步的分析还可以得到：如果利用半导体的“开关”来代替机械的换向器，并且按照次序依次触发其相对应的晶闸管，从而使得晶闸管6，1→1，2→2，3……顺次导通，则相对应的磁极或者转子也会按照一定的次序转过60度，详细的情形如图2（c）所示。

图2

（a）电枢旋转（b）磁极旋转 （c）无刷直流电动机

      此外，还可以换一个角度来对直流电机的运动情形进行分析，比如从磁场的角度。这个时候，当晶闸管1和晶闸管6导通时，经过分析可以看出，电流的流通回路如下所示：

电源的正级→晶闸管1→A相的绕组→B相绕组→晶闸管6→电源的负极

     此时，电枢的磁势指向发生变化，指向垂直于C相绕组的位置，具体如图2（c）中Fa这个量所示。同时，磁极的位置为图中方向F0，代表电枢磁场的Fa与代表励磁磁场的F0之间的夹角呈120度。当转子按照顺时针的方向进行旋转时，旋转到F01位置，会使得F01与代表电枢磁场的Fa之间的夹角呈90度，从而得到直流电动机的最大转矩。

     之后，转子顺序继续旋转，旋转到F02位置时，会使得F02与代表电枢磁场的Fa之间的夹角呈60度，此时通过控制电路的调节，晶闸管2被触发的同时导通，晶闸管6被关断，电枢电流回路的流通方向发生变化，此时的流向如下：

电源的正极→晶闸管1→A相绕组→C相绕组→晶闸管2→电源的负极

此时，当电枢磁场Fa转过60度，代表电枢磁场的Fa与代表励磁磁场的F0之间的夹角就会重新变为120度，具体分析如图2（c）所示的情形。

以上的过程周而复始的进行，使得代表电枢磁场的Fa与代表励磁磁场的F0之间的夹角始终在60度～120度的范围内变化，在旋转的励磁磁场和电枢磁场的交互作用下，会使得直流电动机的转子连续地转动。

综合以上的分析可以看出：

    晶闸管的导通时间是120电角度，晶闸管的关断时间是60电角度，而每转过60电角度就会有一只晶闸管发生换相。

    为此，就必须要求随着转子的旋转，相应的晶闸管能够周期性地触发或者关断，从而保证了电枢磁场和励磁磁场能够保持同步。上述的任务通常由位置检测器来完成。

    由于电动机定子电枢电流是直接由转子转速控制的，这样，电动机速度升高或降低时，位置检测器输出信号的频率也就会随着升高或降低，电枢电流频率及其旋转磁场速度随之升高或降低，始终能保持与励磁磁场相对位置不变的关系，因此这种电机不会存在失步的问题，也就是能够维持频率自控的状态。