无刷直流电机基础

无刷直流电机基础

引言

无刷直流电机应用及其广泛，它可在家电、汽车、航空、医疗、工业自动化设备和仪器等各种各样的行业中使用。

从它的名称我们可以看出，无刷直流电机是不用电刷进行换向，而是采用电子器件进行换向的。与有刷直流电机和异步电机相比，无刷直流电机有很多优点，具体表现如下：

1、更好的转矩、转速特性

2、快速的动态响应

3、高效率

4、寿命长

5、工作无噪声

6、较高的转速范围

本文将重点讨论无刷直流电机的结构、工作原理、特性和它的主要应用。附录B是关于无刷直流电机的常用专业术语。

无刷直流电机结构和工作原理

无刷直流电机是同步电机的一种。也就是说定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。无刷直流电机的结构有单相、两相和三相。无论哪种结构它的定子绕组数目和其类型相对应。三相无刷直流电机是应用最广泛和最普遍的，本文重点讨论三相无刷直流电机。

定子

无刷直流电机的定子是由定子冲片（钢片叠加而成）和放置在各个槽中的绕组组成（如图3所示）。一般无刷直流电机的定子结构和同功率的异步电机是相同的，不同只是它绕组的分布方式。大部分无刷直流电机的三相绕组是绕成星型的。每相绕组都是由若干个线圈组成的。每极下的绕组数目都是均等的。无刷直流电机根据其定子绕组驱动电流的不同分为梯形和正弦波电机。不通的连接方式会产生不同类型的反电动势，具体参考“反电动势的定义”章节。从图1和图2中我们可以看出梯形波电机的反电动势是梯形的，正弦波电机的反电动势是正弦的。同样，它们的相电流也是梯形和正弦的。但是正弦波电机的输出转矩比梯形波电机的输出转矩更加平滑。根据电机的额定功率，应该选择合适的输入电压。汽车、机器人等产品中电机的电压是48V甚至低于48V，而在自动化器械、家用电器等工业应用中电机的电压为大于等于100V。

图3 无刷直流电机的定子图1 梯形波反电动势

图2 正弦波反电动势

转子

转子是由永磁体组成的，磁钢的磁极N和S是交替放置的。根据所需要的磁场密度选择合适的永磁体。铁氧体是很常用的永磁体，随着的科技的不断进步，稀土永磁体应用越来越广泛。铁氧体永磁材料和稀土永磁体相比，它的价格比较低廉，但是磁通密度低，而稀土永磁体价格高，但是它得最大磁能积大，剩磁高，矫顽力搞。在同样尺寸下，稀土永磁体比铁氧体得到更高的转矩。衫钴永磁体和钕铁硼永磁体是稀土永磁体中的代表。图4是几种不同的转子磁极结构。

a、表面式转子结构

b、内置式转子结构

c、实心转子结构

霍尔传感器

与有刷直流电机不同，无刷直流电机的换向是可以电子控制的。无刷直流电机在运行时，必须按一定顺序给定子绕组通电。我们如果知道转子的位置就可以在定子绕组上加相应的的信号。转子位置我们可以通过霍尔传感器来确定。大部分无刷直流电机中嵌有3个霍尔传感器。

当转子永磁体磁极经过霍尔传感器时，传感器就会给出一个高电平或者低电平，表明N极或S极经过。根据霍尔传感器得到的信号我们可以准确的确定电机的换向。

图5 无刷直流电机的横截面

图5是一个无刷直流电机的横截面，从图中可以看出霍尔传感器被固定在电机上。将霍尔传感器嵌入定子的过程很复杂，因为这些霍尔传感器相对转子磁极的位置稍有不对齐，都会在判断转子位置时造成错误。为了简化在定子上安装霍尔传感器的过程，有些电机可能除了主转子磁体外，还在转子上安装霍尔传感器磁体，它们的体积比转子磁体小。每当转子转动时，霍尔传感器就会产生和主磁体一样的效果。霍尔传感器磁体通常装在PCB电路板上，固定在非驱动装的外壳盖上，这使得用户可以整体调整所有的霍尔传感器，以便与转子磁体对齐，从而获得最佳性能。

根据霍尔传感器的位置，由两种输出。霍尔传感器输出信号之间的相移可以是600或者1200的电角度。电机制造商据此定义控制电机是应遵循的换向顺序。

工作原理

每次换向时，首先一相绕组接电源的正极，另一相绕组接负极，第三相绕组处于失电状态。电机的电磁转矩由定子的合成磁动势和转子永磁磁场相互作用产生的。理论上来说，当定子的合成磁动势与转子永磁磁场在空间上相位相差900时电磁转矩就达到其峰值。而在两磁场平行时最弱。为了保证电机转动，由定子绕组产生的磁场应不断变换位置，因为转子会向着与定子磁场平行的方向旋转。

转矩/转速特性

图 6 是一个电机的转矩/转速特性图，无刷直流电机有两个转矩参数需要确定:转矩峰值（T P）和额定转矩（T r）。在连续运行中，负载会增加直到达到电机额定转矩。在无刷直流电机

中，转矩在转速达到额定值之前保持不变。电机的最大转速可以达到150%额定转速，但是此时转矩将降低。对于频繁启东、停止和反转的电机，所需的转矩大于其额定转矩。需要大转矩的时间通常很短，尤其是在电机从静止状态起动以及加速时。在此期间，需要额外的转矩来克服负载和电机本身的惯性。

图6 转矩/转速特性

无刷直流电机与其他电机的对比

与有刷直流电机和异步电机相比，无刷直流电机有很多有点，也有一些缺点。相同机座下，无刷直流电机的输出功率比有刷直流电机和异步电机大，它的使用寿命也较长。由于其转子上有永磁体，这样与其他电机相比它的转动惯量就要小点，这样就改进了电机加速与减速的特性，缩短了工作周期。由于没有电刷装置，空间相对变大，这就降低了维护难度。由于去除了电磁干扰，工作噪声明显低于有刷直流电机。表1将无刷直流电机和有刷直流电机进行了对比，表2是无刷直流电机和异步电机之间的对比。

表1 无刷直流电机和有刷直流电机的对比

表2无刷直流电机和异步电机的对比

换向顺序

图7表示霍尔传感器信号相对反电动势和相电流变化的示例。图8展示了按照霍尔传感器信号应遵循的切换顺序。图7中的时序与图8是对应的。每旋转变化60电角度，其中一个霍尔传感器就改变一次工作状态。每个周期变化6次。每转过60个电角度相电流变化一次。图9是无刷直流电机控制器的原理图。PIC18FXX31 单片机控制功率开关管Q0到Q5。这些功率开关管可以是MOSFEFS管、IGBT或者是简单的双极性晶体管。表3和表4是这些功率开关管在A、B、C三相下导通的顺序表。表3是电机正转下的导通，表4是电机反转下的导通。从图9中可以看出，如果标有PWMx的信号根据该顺序在导通和关断之间切换，则电机将以额定转速运行。电机在运转过程中，定子通入电流，永磁体转子励磁，两个磁场在空间的作用产生合成磁势，推动转子向前运转。要让电机转起来，必须按照一定的顺序给电机三相绕组通电。连接到图9