无刷直流电机的工作原理

1.2 无刷直流电机的工作原理

1.2.1 无刷直流电机的特点

直流电机主要有直流有刷电机和无刷直流电机两种。

1．有刷直流电机

直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点著称，其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器，使得驱动方法简单，其模型示意图如图 1.2 所示。

电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子（电枢）、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流，电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样，直流电机的转子就会持续运转下去。

由些可见，换向器和电刷在直流电机中扮演着重要的角色，虽然它可以简化电机控制器的结构，但是，它自身却存在一定的缺点：

z 结构相对复杂，增加了制造成本；

z 容易被环境（如灰尘等）影响，降低了工作的可靠性；

z 换向时会产生火花，限制了使用范围；

z 容易损坏，增加了维护成本等。

2．无刷直流电机

无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）的诞生，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，所以无刷直流电机既具有直流电

机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。

图 1.3 所示无刷直流电机模型，它是从图 1.2转化过来的模型。它主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器（可有可无）组成。可见，它和直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构差不多（原来的定子变为转子，转子变为定子），绕组的连线也基本相同。但是，结构上它们有一个明显的区别：无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构就相对简单，降低了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不能自动换向（相），牺牲的代价是电机控制器成本的提高（如同样是三相直流电机，有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管，而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管）。

图 1.3 所示为其中一种小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机，它的定子在内，转子在外，结构和图 1.2 所示的直流电机很相似。另一种无刷直流电机的结构和这种刚刚相反，它的定子在外，转子在内，即定子是线圈绕组组成的机座，而转子用永磁材料制造。

无刷直流电机有以下的特点：

z 无刷直流电机的外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩；

z 无刷直流电机的速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行；

z 无刷直流电机的效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现；

z 无刷直流电机的再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发

电机状态；

z 无刷直流电机的体积小，功率密度高；

z 无刷直流电机无机械换向器，采用全封闭式结构，可以防止尘土进入电机内部，可

靠

性高；

z 无刷直流电机比异步电机的驱动控制简单。

1.2.2 无刷直流电机的工作原理

无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流

电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来，只有实时检测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的

旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来。

如图 1.4 所示为无刷直流电机的转动原理示意图，为了方便描述，电机定子的线圈中

心抽头接电机电源 POWER，各相的端点接功率管，位置传感器导通时使功率管的 G

极接12V，功率管导通，对应的相线圈被通电。由于三个位置传感器随着转子的转动，会依次导通，使得对应的相线圈也依次通电，从而定子产生的磁场方向也不断地变化，电机转子也跟着转动起来，这就是无刷直流电机的基本转动原理——检测转子的位置，依次给各相通电，使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化。

在下文介绍无刷直流电机的有位置传感器驱动的一节，将会进一步介绍无刷直流电机

的转动原理。

为了方便理解，本文档以下内容统一用如图 1.5 所示的这两种符号作为模型简介，图A为电机转子和定子在同一圆心上，图B 为不同一圆心上，是为了方便说明电机内部磁场。详细请看下文。

1.3 无刷直流电机的驱动方法

无刷直机电机的驱动方式按不同类别可分多种驱动方式，它们各有特点。

按驱动波形：

z 方波驱动，这种驱动方式实现方便，易于实现电机无位置传感器控制；

z 正弦驱动，这种驱动方式可以改善电机运行效果，使输出力矩均匀，但实现过程相对复杂。同时，这种方法又有 SPWM 和 SVPWM（空间矢量 PWM）两种方式，SVPWM的效果好于 SPWM。