无刷直流电动机

无刷直流电动机用途非常广泛，尤其适用于高级电子 设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高
无刷直流电动机有两种定义方式，一种是认为该类电
波形均为正弦波的电动机称为调速永磁同步电动机 （Permanent Magnetic SynchronousMotor，PMSM）；而 将反电动势和供电电流波形均为方波（梯形波）的电动机 称为无刷直流电动机。另一种是将该类电机统称为无刷直 流电动机，将反电动势和供电电流波形均为正弦波的称为 正弦波无刷直流电动机；而将反电动势和供电电流为方波 （梯形波）的称为方波无刷直流电动机。
(2)在固定的供电电压下，根据速度给定和负载大小产 生PWM调制信号来调节电流（转矩），实现电机开环或闭
(3)实现短路、过流、过电压和欠电压等故障的检测和 保护。
10.3 三相无刷直流电动机运行分析
10.3.1 图10－10所示是三相无刷直流电动机的组成示意图。
电机本体是一个两极的永磁电动机，定子三相对称绕组按Y 形联结，无中线。功率开关电路采用三相全桥式电路，两
光电式位置传感器是利用光电效应而工作的，由固定在 定子上的数个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组 成，如图10－6所示。遮光盘上开有透光槽（孔），其数目等 于电动机转子磁极的极对数，且有一定的跨度。光电耦合开 关沿圆周均匀分布，每只均由轴向相对的红外发光二极管和
使用时，红外发光二极管通电发出红外光，当遮光盘随 着转轴转动时，光线依次通过光槽，使对着的光电管导通，
无来自百度文库直流电动机（BrushlessDCMotor，BLDCM）正是 随着近年来微处理器技术和新型功率电子器件的不断发展， 以及高磁能积、低成本的永磁材料的出现而逐渐成熟的一种
无刷直流电动机用电子开关线路和位置传感器代替了传 统直流电动机中的电刷和换向器，既具有直流电动机的特性， 又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。 它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，则可以 在高达每分钟数万转的转速下运行。无刷直流电动机将电子 线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域， 这将促使电机技术更新、更快的发展。
图10－1 无刷直流电动机系统原理框图
图 10 - 2 无刷直流电动机的基本结构
10.2.1 无刷直流电动机本体,首先应满足电磁方面的要求，保
证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组允许流过一定 的电流，以便产生一定的电磁转矩；其次，应满足机械方
电机本体由定子和转子两个主要部分构成，分内转子 和外转子两种型式。除导磁铁心外，转子上安放有用永磁 材料制成的永磁体，形成一定极对数的转子磁极。
电枢绕组的相数和功率电子主电路连接方式不同，电 机转矩脉动及绕组利用率也不同。一般来说，相数越多， 转矩脉动越小；在相同相数下，桥式电路比半桥式电路转 矩脉动小，绕组利用率高。但是随着相数的增多，开关电 路中使用的器件也越多，成本也就越高。三相星形桥式电 路采用两两导通方式工作，其绕组利用率较高，力矩波动
图10－4 定子大小齿结构
定子铁心中放置对称的多相（三相、四相或五相）电 枢绕组，对称多相电枢绕组接成星形或封闭形（角形）， 各相绕组分别与电子开关线路中的相应功率开关管相连。 当电动机经功率开关电路接上电源后，电流流入绕组，产 生磁场，该磁场与转子磁场相互作用而产生电磁转矩，电 动机带动负载旋转。电动机转动起来后，便在绕组中产生 反电动势，吸收一定的电功率并通过转子输出一定的机械 功率，从而将电能转换为机械能。要求绕组能流过一定的 电流，产生足够的磁场并得到足够的转矩。
假设初始时刻转子处于图10－11(a)所示的位置。此时， 转子位置传感器输出的信号经控制器处理，向功率开关电 路的相应开关管送出开通脉冲，使V1、V6导通；电流从电 源的正极流出，经V1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经 V6回到电源的负极，A相绕组正向通电（A+），B相绕组反 向通电（B-）。电枢绕组在空间产生的磁场Ba与转子永磁体 产生的磁场Br相互作用产生电磁转矩，使电机的转子顺时 针转动。
需要指出的是，无刷直流电动机控制系统中开关电路 的工作频率是由转子的转速决定的，是一种自控式逆变器。 电机中相绕组的频率和电机转速始终保持同步，不会产生 振荡和失步。
10.2.4 控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺
(1)对正/反转、停车和转子位置信号进行逻辑综合，为 功率开关电路各开关管提供开、关信号（换相信号），实
光电式位置传感器性能较稳定，输出的是直流电信号， 无需再进行整流。但其本身产生的电信号一般比较弱，需要 放大。
图 10 - 6 光电式位置传感器
3.霍尔元件式位置传感器 霍尔元件式位置传感器是利用半导体材料的霍尔效应 产生输出电压的，它实际上是其电参数按一定规律随周围 磁场变化的半导体磁敏元件。用霍尔半导体材料可制成长 为l、宽为m、厚为d的六面体4端子元件，霍尔效应原理如 图10－7所示。
霍尔元件式位置传感器也是由定子和转子两部分组成 的。由于无刷直流电动机的转子是永磁的，因此可以很方 便地利用霍尔元件式位置传感器检测转子的位置。图10－ 8所示为霍尔无刷直流电动机原理图，表示采用霍尔元件 作为位置传感器的四相无刷直流电动机的工作原理。
图10－8 霍尔无刷直流电动机原理图
在图10－8中，两个霍尔元件H1和H2以间隔90°的电角 度安置于电机定子A和B相绕组的轴线上作为传感器定子， 并通以控制电流，电动机转子磁极的永磁体兼作位置传感器 的转子产生励磁磁场。当电机转子旋转时，永磁体N极和S 极轮流通过霍尔元件H1和H2，因而产生对应转子位置的两 个正的和两个负的霍尔电动势，经逻辑处理后去控制功率晶 体管的导通和关断，使4
霍尔元件体积小、灵敏度高，但对环境和工作温度有一 定要求，且安置和定位不便，耐震差，易于损坏。霍尔元件 所产生的电动势很低，使用时需要进行放大。在实际应用中， 是将霍尔元件与放大电路一起制作在同一块集成块上，构成 霍尔集成元件，以方便使用。
10.2.3 功率电子开关电路 无刷直流电动机中功率电子开关电路多采用具有自关
第10章 无刷直流电动机
10.1 概述 10.2 无刷直流电动机系统组成 10.3 三相无刷直流电动机运行分析 10.4 无刷直流电动机的模型 10.5 无刷直流电动机的转矩脉动 10.6 无位置传感器的转子位置检测 10.7 无刷直流电动机的电枢反应 10.8 改变无刷直流电动机转向的方法
10.1 概 述
10.2.2 转子磁场相对于定子绕组位置的检测是无刷直流电动
机运行的关键，对这一位置检测的直接方法就是采用位置 传感器，将转子磁极的位置信号转换成电信号。 正余弦旋转变压器或者编码器也可用作位置传感器，但成 本较高，仅用在精密控制场合。此外，还有利用容易检测 的电量信号来间接判断转子磁极位置的方案，其中最具代 表性的是电动机定子绕组的反电动势过零检测法或者称为 端电压比较法(详见10.6节)
2. 光电式 光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关 和固定在转子轴上的遮光盘所组成， 如图10 - 6所示。 遮 光盘上按要求开出光槽(孔)， 几个光电耦合开关沿着圆周 均布， 每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管 (或激光器)和光电管(光电二极管， 三极管或光电池)所组成。 红外发光二极管(或激光器)通上电后， 发出红外光(或激光)； 当遮光盘随着转轴转动时， 光线依次通过光槽(孔)， 使对 着的光电管导通， 相应地产生反应转子相对定子位置的电 信号， 经放大后去控制功率晶体管， 使相应的定子绕组切 换电流。
传统直流电动机具有调速和起动特性好、堵转转矩大 等优点，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统。但是， 直流电动机中电刷和换向器之间的机械接触严重影响了电 机运行的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起电磁 干扰，缩短电机寿命，同时电刷和换向器装置使直流电机 结构复杂、噪音大、维护困难，限制了其在很多场合中的 应用，因此，长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向 器装置的直流电动机。随着电子技术的迅速发展以及各种 大功率电子器件的广泛应用，这种愿望已逐步得以实现。
图10－3 无刷直流电动机内转子结构型式 （a）面贴式；（b）内嵌式；（c）整体粘结式
定子是电机本体的静止部分，称为电枢，主要由导磁
定子铁心用硅钢片叠成以减少铁心损耗，同时为减少 涡流损耗，在硅钢片表面涂绝缘漆，将硅钢片冲成带有齿 槽的冲片，槽数根据绕组的相数和极数来定。常用的定子 铁心结构有两种，一种为分数槽(每极每相槽数为分数)集中 绕组结构，其类似于传统直流电机定子磁极的大齿（凸极） 结构，凸极上绕有集中绕组，有时在大齿表面开有多个小 齿以减小齿槽转矩，定子大、小齿结构如图10－4所示；另 一种与普通的同步电动机或感应电动机类似，在叠装好的 铁心槽内嵌放跨接式的集中或分布绕组，其线圈可以是整 距也可以是短距，为减少齿槽转矩和噪音，定子铁心有时 采用斜槽。
断能力的全控器件，如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT 等，其中功率MOSFET和IGBT目前在应用中已占主导地位。 主电路一般有桥式或半桥式（非桥式）两种，与电机电枢 绕组的连接有不同的组合，功率电子开关电路如图10－9所 示。其中图(a)和(b)是半桥式电路，其余的是桥式电路。
图10－9 功率电子开关电路
图10－7 霍尔效应原理
根据霍尔效应原理，如果在垂直于l－m面沿厚度方向穿 过磁场B，在垂直于m－d面沿l方向施加控制电流I，则在宽 度为m的方向上会产生霍尔电动势EH，可以表示为
EH
RH
IB d
K H IB
(10－1)
式中,RH为霍尔系数，与材料的电阻率和迁移率有关；KH 为灵敏度。霍尔电动势的极性随磁场B方向的变化而变化。
本节将简单介绍电磁式、光电式和霍尔元件式等三种 常用位置传感器的结构和原理。
1.电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁感应原理来工作的，由 定子和转子两部分组成，其结构如图10－5所示。
图10－5 电磁式位置传感器结构 (a)传感器A－A′剖面图；(b)传感器端面图
在图10－5中，定子上有铁心和线圈，铁心的中间为圆 柱体，安放励磁绕组Wj，绕组外施高频（一般为几千赫兹到 几十千赫兹）电源励磁；铁心沿定子圆周有轴向凸出的极， 极上套有信号线圈Wa、Wb和Wc，以感应信号电压。导磁扇 形片放置在不导磁的铝合金圆形基盘上制成转子，固定在电 动机的转轴上，扇形片数等于电机极对数。由于励磁电源的 频率高达几千赫兹以上，因此定子铁心及转子导磁扇形片均 由高频导磁材料（如软磁铁氧体）制成。可以看出，这实际 上是有着共同励磁线圈的几个开口变压器。当扇形导磁片随 着电动机转子同步旋转时，其与传感器定子圆周凸极的相对 位置发生变化，使开口变压器磁路的磁阻变化，信号线圈匝 链的磁通大小变化，可感应出不同幅值的电动势，依此判断 转子的位置。
图10－10 三相无刷直流电动机的组成示意图
图10－11 转子位置与绕组电流换相示意图
在这种通电方式下，A、B、C三相绕组每隔60°换相一 次。除换相过程外，每一时刻总有两相绕组同时通电。功率 开关管的导通规律为：V1、V6→V1、V2→V3、V2→V3、 V4→V5、V4→V5、V6→V1、V6，共有6个导通状态，每一状 态都有两个开关管同时导通，每个开关管导通120°，因而 该通电方式称为两两导通三相六状态。表10－1给出了星形 联结三相无刷直流电动机两两导通三相六状态的运行规律。
10.2 无刷直流电动机的基本结构
无刷直流电动机是一种通过电子开关线路实现换相的 新型电子运行电机，由电动机本体、电子开关线路（功率 电子逆变电路）、转子位置传感器和控制器等组成无刷直 流电动机系统，其原理框图如图10－1所示。图中直流电源 通过电子开关线路向电动机定子绕组供电，电机转子位置 由位置传感器检测并送入控制器，在控制器中经过逻辑处 理产生相应的换相信号，以一定的规律控制电子开关线路 中的功率开关器件，使之导通或关断，将电源顺序分配给 电动机定子的各相绕组，从而使电动机转动。