无刷电机的设计最终版

9-10 直流无刷电机的设计

9-10-1直流无刷电机的概述

直流电机有无可伦比的优点，体积小，重量轻，结构简单，速度变化范围大，供源简单，移动方便，价格低廉，制造简单，工艺性好等等，是我国用量最大的一种电机。

但是直流电机由于换向的需要，因此必需要由电刷和换向器来换向。由于换向器和电刷的作用，就给电机带来各种不良的影响，如噪声，电刷运行寿命，电机干扰和电机本身体积等问题。直流电机最大的缺点是电机寿命远远不如交流电机，交流同步电机等等无刷电机。

交流电机，交流同步电机是交流供电的，由于用的是交流电源，在50HZ 的交流电源中，一对极的交流异步电机的同步理论转速是:m in /30001506060r p f n =⨯=⨯=，在交流同步电机中的同步转速也应该为m in /3000r ，如果把电源的频率调高或调低，则电机的工作转速也可以很高或者较低的。但这个电机的供源是交流电，如果把直流电源通过电路的转换，变成可以交变的波形供给交流电机或交流同步电机，那么交流异步电机或交流同步电机也可以很好的转动起来的，这就是直流无刷电机的最直观的概念。

要把直流电转换成单相或三相交变电源，在上世纪中叶还是一个非常麻烦的事，那时只有电子真空管，体积很大，输出电流很小，那时台式收音机就有12英寸的电视机那么大，无法和现在手指那么大的MP3相比拟。后来发明了半导体和相应的各种半导体技术使电子控制技术推向了一个新纪元。各种电源逆变，分配技术，换相技术的相继出现，许多高性能，高功率的半导体器件的研制成功，从而使电机领域出现了机电一体化的步进电机，直流无刷电机，并迅速在各个领域得到了广泛的应用。

当出现了永磁直流无刷电机后，就体现了它强大的生命力，永磁直流无刷电机有许多优点，如干扰小，(电路部分有一定的电磁干扰的)，运行寿命长，调速性能好，控制方法多，输出力矩大，过载能力强，调速范围宽，起动响应快，运行平稳，效率高等。永磁无刷直流电机有许多交流异步电机，步进电机和直流电机不具备的优点。它广泛应用于办公机械，电脑，音响，通风行业，自动控制，仪器仪表，汽车，国防工业等等领域，特别一提的是，在电脑中，光驱动器，硬盘，DVD 等大量用了非常精密的形式不一的永磁无刷直流电机，目前社会上人们所骑的电动自行车上的电机绝大都数是采用了永磁直流无刷电机，这个量非常可观，这些也是用得最广泛，生产量最多的直流无刷电机。永磁直流无刷电机已经在时刻影响着人们的生活，在左右人类的生活的历史。

随着控制器的小型化，模块化，以前做得较大的控制器现在可以做得更小，有的可以和电机做在一起，使永磁无刷电机使用起来那么方便，那么的得心应手。许多永磁直流电机日益被永磁无刷直流电机所替代。在电机界，研究，开发永磁直流无刷电机是一种新的趋势。这方面的论著也比以往多起来了。

9-10-2永磁直流无刷电机工作原理

从电磁原理看，电机中如果一个永磁多极磁钢的转子(一对极也可以)，外面的定子是由相对应极数的线圈组成，定子线圈如果能够产生一个单向的旋转磁场(不是脉振磁场)的话，转子因为该磁场的磁极作用而跟转，这样电机就可以转动起来，如果转子上加了个负载，为

了使转子能够同步转动，电源必须需供给电机定子更大的电流，从而产生相应的磁场，电机就能作功。这就是直流无刷电机的电磁原理。由直流电源产生定子上一个旋转磁场，要有二个条件:

定子必需有相应能通过电源分配器能够产生均匀旋转磁场的线圈

把直流电转换成按一定的规律分配给定子相应线圈电能的电源分配装置

因此无刷永磁直流电机必定的由电机和驱动这二部分组成。

永磁无刷直流电机的电机有各种各样的结构和形状，有长圆柱形，转子是永磁的，定子是由象交流电机定子形式一样的，有隐极的也有突极的，这种形式是内转子式的，也有外转子式的，定子是在里面，转子是在外面，转子上粘着磁钢，最典型的就是我们电脑中CPU 的冷却风叶电机，更典型的是电动自行车电机，俗称轮毂电机。

在电机中，交流三相电机运行是非常好的，三相的电角度相差120°，而交流单相电机经电容移相后组成的二相电机，其夹角不能很好地成90°。在永磁无刷直流电机中，如果能使电机定子产生三相旋转磁场，让转子平稳地转动，这是非常好的，因此许多场合的永磁无刷直流电机中的定子就用三相绕组的排列方法。

实际上，永磁无刷直流电机电源就是把直流电源变成三相或二相脉冲电源，最好产生正弦波提供给电机，但由于从直流波形产生产严格的正弦波是比较困难的，现在好多电子交流稳压器输出的波形还不是严格的正弦波，波形的失真度较大，所以小小的动驱动电源是不可能做到这点的，实际上，方波输出的驱动电源用在永磁无刷直流电机上还是相当的好的。

一般的永磁无刷直流电机是定子和定子线圈的排列的方法和分析问题的观点和交流电机定子基本相似，转子和交流同步电机转子相似，驱动电源和步进电机驱动电源相似。大都数电机上还增加了转子位置检测传感器。这是一种机电一体化的电机。如果读者搞过单，三相交流电机，那么永磁无刷直流电机的定子排线，分布绝对没有问题，如果读者又搞过步进电机的驱动电源的话，那么对无刷电机的驱动电源也是毫无问题的。永磁无刷直流电机的主要尺寸和线圈匝数的设计计算作者会介绍实用的，比较简单的方法去解决问题的。所以永磁无刷直流电机的设计也不是非常困难的，没有搞过无刷电机的也不要有畏难情绪。

我们来谈谈如何使电机能够产生一个旋转磁场呢?我们可以从交流电机分析着手。

三相相交流电机三相波形如下图:

图9-1-1

它们的三相绕组的机角度和电角度都是120°，为此形成一个旋转磁场。如果我们能使永磁无刷直流电机的定子波形是上述形式，转子是多极永磁体组成，那么运行起来非常好的，如果这样的定子，去掉转子，在定子内放一颗钢珠，那钢珠也会沿定子内腔壁转动起来的。

在电机中有一种叫交流爪极同步电机，它由一个定子线圈产生N对磁极，转子是由N 对磁极组成。每个相同的极随交流电源的波形同时改变极性。因此这种电机定子的磁场的脉振的，不具有使转子跟转的旋转磁场，所以这种电机的启动是有问题和相当困难的，人们想尽办法使这种结构比较简单的电机能够启动。家用的微风扇就是这种交流永磁式同步电机的典型例子。这种电机是人们设置了定子和转子某些极不太对称时形成的相对磁极中心偏所引起的来回振动，并对设置的扭簧给予一个逐渐增大的弹力，当扭簧的反弹力使转子的运行速度跟上电源的频率变化时，这样转子就转了起来。因此开启这种微风扇时，发现电扇要来回扭动多次后才能正常工作。还有许多交流永磁同步电机解决电机启动的办法，如每个极的小部分极用短路环罩起来，使该部分的磁通滞后该极的磁通，二个磁场的夹角非常小，不能成90°标准夹角的圆形旋转磁场。而是产生了非常椭圆形的旋转磁场，当然这种电机要比脉振磁场好。这种电机启动力矩小，因为短路环的原因，损耗特别大，因此电机效率很差，又不能调速，这种电机适用范围小。以上启动方式和运行性能，在高档产品上的不能接受的。因此永磁无刷直流电机不宜采用这些形式。

在现在的电机中有一种叫爪极步进电机(PM电机)，由二个单相爪极同步电机极与极按一定规律的角度拼接而成，一个与定子极对数相同的永磁体转子，二个线圈可以中心抽头，也可以不抽头。如果抽头就形成了4个线圈，这4个线圈是由驱动电源供电。驱动电源按一定规律对线圈供电，使线圈通电的时间先后，产生了多极的可以调变速度的旋转磁场，从而使转子跟转起来。因为该种电机运行是按驱动电源分配的脉冲方波一步一步的转动的，所以称步进电机，这也可以讲它也是一种永磁无刷直流电机，这种电机也有其自身的缺点。

我们是把永磁直流电机的换向器，电刷去掉，借以电子控制电机的换向，达到使转子能象有换向器的永磁直流电机那样很好地转动，这种用电子控制直流电机换向的电机我们称为永磁无刷直流电机。现在称永磁无刷直流电机基本上都是指的以上形式的电机。

我们在这一节里，对永磁无刷直流电机的工作原理进行简要介绍。我们用三槽永磁无刷直流电机作个介绍。

一般直流电机的定子是有磁钢而且是固定的，有绕组的转子是转动。转动是相对的，如果我们设定该电机的有绕组的转子不动，那么相对转子来讲，有磁钢的定子是以同样的速度在转动的。一般讲，固定不动的是定子，转动的是转子，因此永磁无刷直流电机的转子，不管是内转子或外转子都是粘有磁钢的，而定子都是有绕组而固定不动的。这一点是永磁直流电机和永磁无刷直流电机的区别之一。下面是电机需要换向的图9-10-12所示: 这个换向工作一般用换向器来完成，如果用电子控制器来完成，那么这就是无刷电机了。

我们应该说在B图示的位置，线圈的电流必须开始反向B端进入，这样线圈极性反向，二个S极相互排斥，从而使线圈继续同向运行。如何使转动的线圈能知道自己已经转到在B 图示位置，并指示控制器把电流从A端换到B端输入呢?现在一般的办法是在适当的位置装有磁场检测元件，这个元件一般用霍尔元件。