直流电机培训教材

七、直流电动机----------------------------------------------------26
1、永磁直流电动机-----------------------------------------------26
2、无刷直流电动机-----------------------------------------------27
1）无刷直流电机的组成-----------------------------------------27
2）工作原理--------------------------------------------------------28
3）电机调速--------------------------------------------------------31
4）PWM 调速的实现---------------------------------------------32
5）应用--------------------------------------------------------------33
电流随时间变化，产生磁势和磁场在空间旋转，旋转速度由电源频率f 和电机极数P 决定。

f p
n 602⨯= 式中n ——旋转磁转速（r/min ）
P ——电机极数
f ——电源频率（Hz ）
在单相电机中，由于单相绕组产生的使脉振磁场，电机没有起动
一、 直流电动机
直流电动机分有刷直流电动机和无刷直流电动机，有刷直流电动机又分为励磁式直流电动机和永磁直流电动机。

在工作原理上永磁直流电机与励磁式直流电动机是相同的。

下面主要以永磁式直流电动机与无刷直流电动机进行简要介绍。

1. 永磁直流电动机
高、噪音低、调速范围宽、调速精度高、振动小、寿命长等优点。

下面就空调用无刷直流电机的组成及工作原理作简要介绍：
（1）无刷直流电机的组成：
直流电机本体：定子部分主要采用集中式绕组，根据控制方式的不同，绕组相数有单相、二相、三相、四相等结构，用得最多的是三相绕组结构，绕组的接法有星形接法和环形接法两种，绝大部分绕组采用星形接法。

转子部分采用磁钢，磁钢提供电机的主磁场。

电机控制部分：无刷直流电机的控制方式主要有PAM（脉幅调制技术）和PWM（脉宽调制技术），两种控制方式各有优缺点。

下图1为高压有位置传感器PWM驱动电路原理框图，主要由控制电路、逆变电路、三角波发生
器、比较器、保护电路等组成。

从原理框图可以看出，无刷直流电机的控制部分只包含交—直—交变频电路中的逆变部分，整流及滤波部分由空调的主电控完成。

（2）工作原理：
众所周知，永磁体提供的磁极磁场在电机的旋转过程中是固定不变的，这就要求每个时刻定子绕组产生的电枢磁场必须与转子的磁极磁场相对应，即绕组的电流方向、导通与关断受转子位置的控制。

因此，无刷直流电机必须有转子位置信号输出给电机的控制电路，电机的控制电路根据转子位置信号来控制相应的功率开关管的导通与关断，从而控制相应绕组的电流方向、导通与关断。

定子绕组若按一定的通电顺序进行切换，就可以形成一个与转子位置对应的旋转磁场，使电机按要求的旋转方向旋转。

相对磁钢的某一磁极而言，每个时刻与它对应的电枢磁场是固定的，即绕组的电流方向是固定的，这与有刷直流电机类似。

图2为无刷直流电机运行原理图，绕组为三相星形接法，120度均布，采用三相半桥驱动方式，转子为一对极。

在图示位置，磁钢的磁极中心线与A相绕组对齐，此时的控制
电路根据转子位置检测信号，使S1开关管触发导通，B相绕组通电，在B
置，磁钢的磁极中心线与B相绕组对齐，此时，控制电路根据转子位置检测信号，使S1开关管关断，使S3开关管导通，C相绕组通电，转子在C相绕组磁场的作用下，转子将顺时针旋转120度，当磁钢的磁极中心线与C 相绕组对齐时，控制电路使S3开关管关断，使S2开关管导通，A相绕组通电，转子在A相绕组磁场的作用下，转子将顺时针旋转120度。

按上述通电顺序循环导通，转子就顺时针旋转下去。

无刷直流电机采集转子位置信号的方式有两种：采集绕组反电势信号和采集位置传感器输出信号，前者，电机结构简单，但电机起动困难；后者，电机结构稍复杂，但起动平稳、可靠，目前，大部分的无刷直流电机均采用后者。

位置传感器的种类很多，空调用的无刷直流电机一般采用霍尔元件作为位置传感器。

无刷直流电机大部分采用三相星形绕组结构，桥式控制电路，下面就二相导通星形三相六状态的无刷直流电机的驱动原理作详细的介绍(下图3为原理框图)：
在此电机结构中，电机一般需要三个霍尔元件，三个霍尔元件输出的逻辑波形图和真值表如图4所示。

两个霍尔元件之间的空间夹角为120度电角
度，所以，输出的脉冲信号依次相隔120度电角度。

从真值表中可以看出，每个霍尔元件一次导通180度，每隔60度必有一个霍尔元件的输出状态发
生切换，三个霍尔元件的输出状态的组合共有六种。

与上述的霍尔元件的输出状态相对应，在一个周期内，三相绕组间隔60度电角度换相一次，每个时刻有两相绕组导通，每相绕组连续导通120度，每相绕组正反向各导通一次，导通时间占三分之二周期。

假定电枢各相绕组的导通次序为：UV、UW、VW、VU、WU、WV，则电枢磁势的向量图如图5所示。

电机转子在该电枢磁场的作
用下，按既定方向旋转。

真值表的参数必须与控制电路的逻辑程序相吻合，若三个霍尔元件的输出状态的真值表的参数与控制电路的逻辑程序不吻合，电枢磁场与转子主磁场将不匹配，电机将不能运转或倒转。

（3）电机调速：
就调速原理来说，无刷直流电机类似于一般的直流电机，通过改变电枢两端的直流电压大小来改变电动机的转速。

无刷直流电机有两种改变电压的方法：PAM和PWM，PAM是电压的脉冲宽度保持不变，调节电压的幅值大小来改变电压的平均值大小；PWM正好相反，即电压脉冲幅值不变，脉冲
宽度可调。

PAM方式调速，其调速线性度好、噪音低，控制电路简单，但线路损耗较大，主要用于低压电机；PWM方式调速，效率高，但控制线路较复杂，噪音较大，主要用于高压电机。

（4）PWM调速的实现：
当Vsp大于Vi时，比较器输出信号Vo为高电平，当Vsp小于Vi时，比较器输出信号Vo为低电平，Vo为一系列等宽度的脉冲波形，调节Vsp电压的大小，即可调节Vo的脉冲宽度的大小。

直流高压Vm是通过开关管施加到电机绕组上的，用Vo来控制无刷直流电机逆变电路的开关管的导通与关断，开关管导通时，Vm施加到电机绕组两端，开关管关断时，Vm不能施加到电机绕组两端，即可在绕组两端得到脉冲电压幅值不变，脉冲电压宽度可调的电压，调节Vo的脉宽占空比，即可调节电机绕组两端的电压平均值的大小，从而调节电机转速。

PWM控制方式输出给绕组的电压波形是一系列等宽度的矩形波，矩形波含有较大成分的谐波。

在某些场合，为了减少谐波对电机产生的不良影响，
如转矩脉动、振动噪音和附加损耗的增加等，希望输给绕组的电压为正弦波，因此，控制方式就要采用正弦脉宽调制技术（SPWM）。

在PWM控制方式的基础上，把Vsp电压由输入直流电压改为输入正弦波电压，Vo即为一组幅值不变，宽度按正弦规律变化的矩形脉冲波。

用Vo来控制逆变电路的开关管的导通与关断，输给电机绕组的电压的平均值即按正弦规律变化，从而改善电机的性能。

在有特殊要求的应用场合，可以改变Vsp电压的性质来改变PWM控制方式的特性，使PWM控制方式满足使用要求。

（5）应用：
因为采用了变频技术和位置传感技术，使无刷直流电机继承了有刷直流电机的特性，又无有刷直流电机的缺点，所以无刷直流电机得到了迅速发展，在各个领域得到了广泛的应用。

以家用变频空调器为例，使用无刷直流电机，电机转速的调节范围很宽，在变频空调需要快速制冷、制热时，电机的转速可以调到很高，使其快速制冷、制热；无刷直流电机易于实现闭环调速，电机的转速波动范围可控制在5转以内，使变频空调能够实现精确控制；无刷直流电机的效率高，为变频空调实现高能效比提供了保障。