永磁无刷直流电机简介
对永磁无刷直流电机和开关磁阻电机的理解
对永磁无刷直流电机和开关磁阻电机的理解一、永磁无刷直流电动机（1）、简介直流电动机虽然起动和调速性能好，堵转转矩大，但是直流电动机具有电刷和换向器组成的机械换向装置，其间的滑动接触严重影响了电机的精度和可靠性，缩短电机寿命，需要经常维，产生的火花会引起无线电干扰，并且电刷换向装置又使直流电机变得结构复杂，工作噪声大。
在微电子技术、电力电子技术和电机控制技术日趋成熟的基础上，人们应用高性能永磁材料创造出了无接触式换向的直流电机，我们称之为永磁无刷直流电机。
（2）、基本结构永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和功率电子开关三部分组成。
直流电源通过电子开关向电动机定子绕组供电，由位置传感器检测电动机转子位置并发出电信号去控制功率电子开关的导通和关断，使电动机转动。
（3）、工作原理以下举一相导通星形三相三状态的例子说明。
一相导通星形三相三状态永磁无刷直流电动机三只光电位置传感器H1、H2、H3在空间对称均布，遮光圆盘与电机转子同轴安装，调整圆盘缺口与转子磁极的相对位置使缺口边沿位置与转子磁极的空间位置相对应。
缺口位置使光电传感器H1受光而输出高电平，功率开关管VT1导通，电流流入A相绕组，形成位于A相绕组轴线上的电枢磁动势Fa，Fa顺时针方向超前于转子磁动势Ff150°电角度。
Fa与Ff相互作用拖动转子顺时针旋转，当转子转过120°电角度时，与转子同轴安装的圆盘转到使光电传感器H2受光、H1遮光，功率开关管VT1关断、VT2导通，A相绕组断开，电流流入B相绕组，电流换相。
电枢磁动势变为Fb，Fb在顺时针方向继续领先转子磁势Ff150°电角度，两者相互作用，又驱动转子顺时针方向旋转。
当转子磁极转到240°时，电枢电流从B相换流到C相，产生的电磁转矩继续使电机转子旋转，直至重新回到起始位置，完成一个循环。
（4）、控制方法永磁无刷直流电动机的控制方法，按有无转子位置传感器，可分为有位置传感器控制和无位置传感器控制。
永磁无刷直流电机及其控制
永磁无刷直流电机及其控制一、本文概述永磁无刷直流电机（Permanent Magnet Brushless DC Motor，简称BLDC）是一种结合了直流电机与无刷电机优点的先进电机技术。
本文将对永磁无刷直流电机及其控制技术进行详细的阐述和探讨。
我们将概述永磁无刷直流电机的基本原理和结构特点，包括其与传统直流电机的区别，以及为何在现代工业和家用电器等领域得到广泛应用。
接着，我们将深入探讨永磁无刷直流电机的控制策略，包括位置传感器控制、无位置传感器控制以及先进的电子控制技术，如微处理器和功率电子器件的应用。
我们还将分析永磁无刷直流电机的性能优化和故障诊断技术，以提高其运行效率和可靠性。
我们将展望永磁无刷直流电机及其控制技术的发展趋势，并探讨其在未来可持续能源和智能制造等领域的应用前景。
通过本文的阐述，读者可以对永磁无刷直流电机及其控制技术有更为全面和深入的理解。
二、永磁无刷直流电机的基本原理永磁无刷直流电机（Permanent Magnet Brushless DC Motor，简称BLDC）是一种结合了直流电机与无刷电机优点的电机类型。
其基本原理主要依赖于磁场与电流之间的相互作用，以及电子换向器的无刷换向技术。
磁场与电流相互作用：永磁无刷直流电机中，永磁体（通常是稀土永磁材料）被用来产生恒定的磁场。
当电流通过电机的电枢（也称为线圈或绕组）时，电枢会产生一个电磁场。
这个电磁场与永磁体的磁场相互作用，导致电机转子的旋转。
无刷换向技术：与传统的有刷直流电机不同，永磁无刷直流电机使用电子换向器代替了机械换向器。
电子换向器通过控制电流在电枢中的流动方向，实现了电机的无刷换向。
这种技术不仅提高了电机的效率，还降低了维护成本和噪音。
控制策略：为了精确控制电机的转速和方向，永磁无刷直流电机通常与电子速度控制器（ESC）一起使用。
电子速度控制器可以根据输入信号（如PWM信号）调整电枢中的电流大小和方向，从而实现对电机转速和方向的精确控制。
永磁无刷直流电机简介
表贴凸出式和插入式转子磁路构造图
电气学院
1）表贴凸出式转子磁路构造 • 其构造简朴，制造成本较低，转动惯量较小，多用于矩形
波永磁同步电动机和恒功率运营范围不宽旳永磁同步电动 机中
2）表贴插入式转子磁路构造 • 这种构造可充分利用转子构造磁路旳不对称性所产生旳磁
阻转矩，提升电机旳功率密度。制造工艺也较简朴。一般 用于某些调速永磁同步电动机中。
B
（2）空载时铁心中旳附加（或杂散）损耗，它是由定转子开槽引起旳气隙磁导变化 而产生旳谐波磁场在对方表面产生旳表面损耗及脉振损耗。 （3）电气损耗，是由工作电流在绕组中产生旳损耗，对直流电机或同步电机而言， 也涉及电刷在换向器或集电环上旳接触电阻损耗。
（4）负载时旳附加（或杂散）损耗，是由定子或转子电流所产 生旳漏磁场在定、转子绕组里和铁心及构造件里引起旳多种损耗。
• 假如将一只霍尔传感器安装在接近转子旳位置，当N极逐渐接近 霍尔传感器即磁感应强度到达一定值时，其输出是导通状态；
• 当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出依 然保持导通状态；只有磁场转变为S极并到达一定值时，其输出 才翻转为截止状态。
• 在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%。 • 假如转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一种周期旳
✓ 具有很好旳力学特征，韧性好、抗压强度高、可加工等
✓ 价格合理，经济性好
电气学院
• 铁氧体：适合于对电机体积、重量和性能要求不高，而对电机旳经济 性要求高旳场合。
• 铝镍钴：适合于对电机体积、重量和性能要求不高，但工作温度超出 300度或要求温度稳定性好且电机旳成本不高旳场合。
• 钕铁硼：适合于对电机体积、重量和性能要求很高，工作环境温度不 高，对永磁体温度稳定性要求不高旳场合。
永磁无刷直流电机的构造
永磁无刷直流电机的构造永磁无刷直流电机是一种重要的电动机类型，其构造与传统的有刷直流电机有所不同。
在本文中，我们将深入探讨永磁无刷直流电机的构造，了解其工作原理以及与其他类型电机的区别。
一、永磁无刷直流电机的构造永磁无刷直流电机由多个关键组件构成，包括转子、定子和电子调速器。
下面我们将逐一介绍这些部件的功能和特点。
1. 转子转子是电机中的旋转部分，由永磁体和轴承组成。
其中，永磁体通常由稀土永磁材料制成，具有较高的磁场强度和矫顽力，能够提供较大的转矩。
轴承则用于支撑转子的转动，通常采用滚珠轴承或磁悬浮轴承。
2. 定子定子是电机中的固定部分，由线圈、铁心和绕组等组成。
线圈通常由导电材料绕制而成，绕制方式包括单层绕组和多层绕组。
铁心则用于增强磁场，并且通过绕组与转子的磁场相互作用，实现电能到机械能的转换。
3. 电子调速器电子调速器是永磁无刷直流电机的控制中枢，通过电子器件对电机的电流进行控制和调节。
常见的电子调速器包括三相桥式整流器、逆变器和控制芯片等。
电子调速器通过控制转子上的永磁体和定子上的绕组之间的电流关系，实现对电机转速和扭矩的精准调控。
二、永磁无刷直流电机的工作原理永磁无刷直流电机的工作原理基于磁场的相互作用，其具体过程如下：1. 磁场形成当电流通过定子绕组时，会在定子和转子之间产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场由定子绕组的电流和转子上的永磁体形成。
2. 磁场相互作用转子上的永磁体与定子绕组之间的磁场相互作用，导致转子受到力矩的作用而开始旋转。
这个力矩的大小与磁场强度、永磁体形状和绕组电流等因素有关。
3. 电子调速器控制电子调速器通过控制定子绕组的电流和磁场强度，可以实现对电机转速和扭矩的调节。
通过改变电子调速器的工作方式，可以实现电机的正转、反转和调速等功能。
三、永磁无刷直流电机与其他电机的区别与传统的有刷直流电机相比，永磁无刷直流电机具有以下特点：1. 无刷结构永磁无刷直流电机采用了无刷结构，消除了传统电机中刷子的使用，减少了能量损耗和机械磨损，并提高了电机的可靠性和寿命。
永磁无刷直流电机(电机控制)课件
新能源
用于风力发电、太阳能 发电等新能源设备的驱
动和控制。
汽车电子
用于电动汽车、混合动 力汽车等车辆的驱动和
控制。
其他领域
如航空航天、医疗器械 、智能家居等需要高精
度控制的领域。
02
电机控制系统
控制系统概述
控制系统是永磁无刷直流电机的重要组成部分，用于实现电机的启动、调速、制 动等功能。
永磁无刷直流电机通过控制电流 的相位和幅值，实现电机的启动 、调速和制动等功能。
结构与特点
结构
永磁无刷直流电机由定子、转子和控 制器三部分组成。定子包括永磁体和 电枢绕组，转子为金属导体。
特点
具有高效、高可靠性、高控制精度、 长寿命等优点，适用于需要高精度控 制的应用场景。
应用领域
工业自动化
用于各种自动化生产线 、机器人、数控机床等
电磁干扰和噪声
无刷直流电机在运行过程中会产生电磁干 扰和噪声，对周围环境和人体健康造成一 定影响，需要采取措施进行抑制。
未来研究方向
高效能电机及其控制技术
研究新型的电机结构和控制策略，以 提高电机的能效和稳定性。
智能感知与故障诊断
利用传感器和智能算法，实现对电机 系统的实时感知和故障诊断，提高系 统的可靠性和安全性。
模糊控制算法
总结词
模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制算法，通过模糊化输入变量和模糊规则实现控 制输出。
详细描述
模糊控制算法将输入变量的精确值模糊化，转换为模糊集合，然后根据模糊规则进行逻 辑运算，得到输出变量的模糊集合。最后，对输出变量的模糊集合进行去模糊化，得到 精确的控制输出。模糊控制算法能够处理不确定性和非线性问题，适用于永磁无刷直流
有刷和无刷永磁直流电机的区别
有刷和无刷永磁直流电机的主要区别在于永磁有刷直流电机的励磁绕组用永磁铁代替的。
下面具体讲解下。
永磁无刷直流电动机：是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。
与他励式直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率直流电动机的主要类型。
永磁有刷直流电机：有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。
直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。
由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。
永磁无刷直流电机设计实例
永磁无刷直流电机设计实例永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDC）是一种形式先进的电机，具有高效率、长寿命、高功率密度、高控制精度等优点，已广泛应用于机床、机器人、电动工具等领域。
在本文中，我们将介绍永磁无刷直流电机的设计实例。
1. 电机参数计算在进行永磁无刷直流电机设计之前，首先需要计算出电机的一些参数，包括额定功率、额定转速、额定电压、额定电流等。
这些参数将作为电机设计的基础。
1.1 标称功率Pn = Tmax × ωnPn 为电机标称功率，Tmax 为电机最大扭矩，ωn 为电机额定转速。
1.2 额定转速永磁无刷直流电机的额定转速通常由应用需求决定。
对于电动工具来说，需要较高的额定转速，而对于机床来说，需要较低的额定转速。
通常情况下，可以根据应用的要求来选择适当的额定转速。
永磁无刷直流电机的额定电压通常由电源系统决定。
通常情况下，可以选择电压稳定器或直流电源来提供稳定的电压。
根据实际需求和电源系统的限制，可以确定电机的额定电压。
2. 永磁体设计永磁体是永磁无刷直流电机中最重要的组件之一，其设计将直接影响电机的性能。
永磁体的设计包括永磁体的形状、尺寸以及选用的材料。
2.1 形状与尺寸永磁体的形状和尺寸对电机的输出特性有着重要的影响。
通常情况下，可以选择方形、圆形、椭圆形等形状，并根据电机设计参数计算出永磁体的尺寸。
2.2 材料选择永磁体选用的材料决定了电机的性能。
目前常用的永磁体材料有 NdFeB、SmCo、AlNiCo 等。
不同的永磁体材料具有不同的磁性能、机械性能和耐温性能，应根据实际应用需求进行选择。
3. 绕组设计绕组是永磁无刷直流电机中的另一个关键组件，在电机的输出特性和效率上起着重要作用。
绕组的设计涉及到绕组的形状、导线直径、匝数和线材材料等方面。
绕组的形状通常与永磁体相对应，可以根据永磁体的形状来确定绕组的形状。
3.2 导线直径导线直径直接影响到电机的电阻和电感，对电机的输出特性和效率有着重要影响。
永磁无刷直流电机
永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机简介永磁无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
永磁无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。
早在上世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。
但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。
本世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。
这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。
永磁无刷直流电机的优点体积小、效率高属静态电机，空载电流小电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍，代表了电动车的发展方向永磁无刷直流电机的注意事项价格高，控制器要求高；低速起动时有轻微振动，如速度加大换相频率增大，就感觉不到振动现象了；易形成共振，因为任何一件东西都有一个固有振动频率，如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象，但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。
所以采用无刷电机驱动的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象。
永磁无刷直流电机的优越性永磁无刷直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。
碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。
交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。
现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。
微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。
稀土永磁无刷直流电动机原理
稀土永磁无刷直流电动机原理1.稀土永磁无刷直流电动机的结构特点无刷直流电动机（BLDCM）由电动机本体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
电动机的定子绕组做成三相对称星行接法，同三相异步电动机十分相似。
电动机转子由钕铁硼永磁材料构成。
在定转子形成的气隙中产生N-S级相间的方波磁场，所以也把这种电动机称为“方波电动机”。
为了使电动机绕组准确换向，在电动机内装有位置传感器，作为转子极性的位置信号驱动器组成：作为操纵中枢的单片机；作为电子换向的由IGBT或MOSFET组成的逆变桥；作为电压型交一直一交主电路的整流、滤波单位；作为人机接口的键盘和数字显示单位；作为操纵、驱动电源的开关电源。
2.无刷直流电动机的要紧特点高效率：无刷直流电动机转子上既无铜耗也无铁耗，其效率比同容量异步电动机提高5%-12%。
功率因子高：无刷直流电动机无需从电网吸取激磁电流，功率因子接近1。
启动转矩大，启动电流小：无刷直流电动机的机械特性和调节特性与他激直流电动机枢控时相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动电流小，调节范围宽，但没有因电刷换向器引起的缺点，电子换向取代了机械换向。
电动机出力高：该电动机的体积和最高工作转速相同时，较异步电动机输出功率提高30%。
适应性强：电源电压偏离额定值+10%或-15%，环境温度相差40K以及负载转矩从0—100%额定转矩波动时，无刷直流电动机的实际转速与设定转速的稳态偏差，不大于设定转速±1%。
无刷直流电动机是一种自控式调速系统，它无需像普通同步电动机那样需要启动绕组；在负载突变时，不会产生振荡和失步。
无刷直流电动机具有直流电动机特性、交流异步电动机的结构。
无刷直流电动机适合长期低速运转、频繁启动的场合，这是变频调速器拖动Y 系列电动机不可能实现的。
3.工作原理无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。
永磁无刷直流电机介绍和工作原理
永磁无刷直流电机 正弦波PMSM调速系统的组成
一种典型的正弦波永磁同步电动机调速系统框图
永磁无刷直流电机
永磁无刷直流电动机结构特点：
• 定子绕组采用整距、集中绕组； • 永磁体粘接至转子表面，呈隐极式结构；
图10.16 永磁无刷直流电动机的主磁场磁密波形图
永磁无刷直流电机
永磁无刷直流电动机 定子绕组感应的相电势和电流波形
永磁无刷直流电机
无刷电机专用驱动电路 MC33035
永磁无刷直流电机
无刷电机专用驱动电路 MC33035
永磁无刷直流电机
无刷电机专用驱动电路TDA1621
LM621的原理框图
LM621的换相译码真值表
永磁无刷直流电机
无刷电机专用驱动电路TDA1621
永磁无刷直流电机
无位置传感器无刷电机专用驱动芯片TDA5142T
永磁无刷直流电机
永磁同步电动机的发展前景
1. 更高的节能效果。永磁同步电动机采用永磁体励磁，无需励磁电流，所以 可以显著提高功率因数。定子电流小，转子无铜耗。比一般的异步电动机 效率提高2%~8%，尤其轻载运行节能效果显著。
2. 可满足某些工业需求大的启动转矩和最大转矩倍数的要求。
3. 低速驱动的需求。为了提高控制精度，减少震动噪音，也为了大转矩驱动 要求，近年来对低速电动机的需求不断增长，如：电梯拖动用永磁同步曳 引机，转矩提高十几倍，取消了庞大的齿轮箱，通过曳引轮直接拖动轿厢， 明显减小了噪音和震动；又如：船用吊舱式电力推动器，将低速大转矩永 磁同步电动机置于船舱外的吊舱，无需原来的传动系统，直接驱动螺旋桨。 四门子公司吊舱式推进器中PMSM容量已达30000KW。
电的过程，或者磁场旋转的过程，定
子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁
永磁无刷直流电机简介
1 绪论1.1 无刷直流电动机是最具发展前途的机电一体化电机无刷直流电动机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，它是现代电子技术（包括电力电子、微电子技术）、控制理论和电机技术相结合的产物。
众所周知，直流电动机具有优越的调速性能，主要表现在控制性能好、调速范围宽、起动转矩大、低速性能好、运行平稳、效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。
在普通的直流电动机中，直流电的电能是通过电刷和换向器进入电枢绕组，与定子磁场相互作用产生转矩的。
由于存在电接触部件——电刷和换向器，结果产生了一系列致命的缺陷：⑴机械换向产生的换向火花引起换向器和电刷磨损、电磁干扰、噪声大，寿命短；⑵结构复杂，可靠性差，故障多，需要经常维护；⑶由于换向器存在，限制了转子转动惯量的进一步下降，影响了动态特性。
在许多应用场合下，它是系统不可靠的重要来源。
虽然直流电动机是电机发展历史上最先出现的，但它的应用范围因此受到限制，使后来者且运行可靠的交流电机得到发展，取而代之广泛应用。
交流电机的历史超过百年。
但是，无刷直流电动机历史只有几十年。
1955年美国D.harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，这是无刷直流电动机的雏形。
在1962年，T.G.Wilson和P.H.Trickey提出“固态换相直流电机”专利，这标志着现代无刷电动机的真正诞生。
从20世纪60年代初开始，无刷直流电动机进入到应用阶段。
因其较高的可靠性，无刷直流电动机最先在宇航技术中得到应用。
1964年，它被美国国家航空航天局（NASA）使用，用于卫星姿态控制、太阳电池板的跟踪控制、卫星上泵的驱动等。
在1978年当时的联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器在汉诺威贸易展览会正式推出，是电子换向的无刷直流电动机真正进入实用阶段的标志。
国际上对无刷直流电动机进入深入的研究，从研制方波无刷电机基础上发展到正弦无刷电机——新一代的永磁同步电动机（PMSM）。
永磁无刷直流电动机
无刷直流电机电动势公式与直流电机相似
2．电枢电流
电压平衡方程式：
电源电压
开关管的饱 和管压降
电枢电流为：
电阻压降
3. 电磁转矩
所以： Tem=CTIa
结论
无刷直流电机转矩公式与直流电机相似
2-2 三相永磁无刷直流电动机数学模型
三相绕组的电压平衡方程为
组 电 压
定 子 相 绕
组 电 流
定 子 相 绕
第二种方式：直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心 气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上 的稀土磁体主极作为传感器的水滋体，根据霍尔元 件的输出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放 大处理后便可驱动逆变器工作。
Hall IC 安装示意图
1、三个霍尔元件在 空间依次相差120o电 角度
2、传感器磁极与转 子磁极同轴旋转、极 数相等、极性相对应
——自同步电机
→电机顺时针旋转
两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表
1-2 基本结构
1） 电机本体 定子：与普通异步电机相同，铁心中嵌三相 或多相对称绕组 转子：永磁结构
瓦形（径向磁化） 矩形(切向磁化) 环形(径向磁化)
稀土水磁无刷直流电动机结构示意图
1——转轴；2——前端盖；3——螺钉，4——垫片； 5——轴承；6——定子； 7一转子；8一传感器转子； 9——后端盖；10——传感器定子
优点1：电磁式传感器 具有较高的强度，可经 受较大的振动冲击，故 多用于航空航天领域。
优点2：电磁式位置传 感器输出信号较大，一 般不需要经过放大便可 直接驱动开关管，但因 输出电压是交流，必须 先整流。
缺点：传感器过于笨重 复杂，因而大大限制了 其在普通条件下的应用。
简介永磁无刷直流电机的原理及特点
成 本 低廉 等 诸 多 优 点 使 得 串 励 电机 在 电动 工 具 电机选 用 中 占据 统治 地 位 多 年 。
随着动力 电池技术进 步，特 别是动力锂 电
池 技 术 的 快 速 发展 ，无绳 、 强 劲 、 小 巧 便 携 的
ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｓ ｏ ｆ ｂ ｕｓ ｒ ｈ ｌ ｅ ｓ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｂ ｒ ｕ ｓ ｈ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ， ｌ ｏ ｏ ｋ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ ｗａ ｒ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｔ ｕ ｒ ｅ ｔ ｒ ｅ ｎ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｗ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｆ ｏ ｒ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｔ ｏ ｏ ｌ ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ．
简介永磁 元刷 直流 电机的原理及特 点
刘 志 刚
（ Ｉ ： 海锐奇 Ｉ ： 具 股份 仃限 公 ｄ Ｉ ： 海 ２ ０ １ ６ １ ２）
摘 要 介 绍无刷直流 电机在 电动工具中 的运用概况 ，对无刷 电机 相比有 刷电机 的特点、结 构和控制原理进行分析 ，展望对 电动工具应用新 型电机 的未来 趋势。
的 专 利构 建 了 无刷 直 流 电动 机 的雏 形。１ ９ ６ ２ 年 ，由 Ｔ． Ｇ． Ｗｉ ｌ ｓ ｏ ｎ和 Ｐ． Ｈ． Ｔｒ ｉ ｃ ｋ ｅ ｙ提 出 “ 固 态换 相 直 流 电机 ” （ ＤＣ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｗｉ ｌ ｈ Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ
工 具 的 市 场 占 比 。有 专 家 预 言 ： 电动 工 具 的 未 来在 于 锂 电等新 能 源 工具 ；
永磁无刷直流电机的设计
永磁无刷直流电机的设计摘要：永磁无刷直流电机是一种新型电机，其特点是不需要传统的机械电刷，因此在家用电器等领域得到广泛运用。
其简单结构、高可靠性和高效率使其备受青睐。
关键词：永磁无刷直流电机；设计虽然其工作原理与传统的电磁式直流电机相似，但借助高性能的永磁材料和电子控制技术，这种电机在单位体积内能提供较高的转矩，同时转矩惯性比较小，启动时的转矩也很大，此外，其调速特性也相当优越。
因此，在家用电器领域，永磁无刷直流电机得以广泛应用。
1.永磁无刷直流电机的主要特点和应用1.1永磁无刷直流电机的主要特点(1) 由于无电火花和磨损问题，永磁无刷直流电机拥有卓越的工作寿命和高度可靠性。
(2) 其低转动惯量和高转矩惯量比使其具有出色的响应速度。
(3) 通过永磁体产生的气隙磁场，使得电机的效率和功率因数保持在高水平，且发热主要分布在定子上，便于热量散发。
(4) 虽然与有刷直流电机相比略微成本较高，但与异步电机相比，其控制性能卓越。
1.2永磁无刷直流电机的主要应用目前，不断扩大的市场需求迅速推动了永磁无刷直流电机的蓬勃发展。
自上世纪90年代起，随着科技的不断进步，永磁材料的性能得到了显著提升。
尤其以钕铁硼等第三代永磁材料为代表，不仅在耐腐蚀性方面有了巨大突破，其在高温环境下的稳定性也得到了显著提升，同时生产成本也在逐步降低。
许多高校和制造单位都在永磁无刷直流电机的研发中投入了大量资源，为其发展注入了新的活力。
永磁无刷直流电机的功率范围广泛，从毫瓦级到数十千瓦级不等，为用户提供了多样的选择。
2.无刷直流电机的结构及工作原理2.1无刷直流电机的基本结构无刷直流电机的基本组成结构包括电机本体、转子位置传感器和电子换相电路，具体如图2.1所示。
图2.1永磁无刷直流电机系统的组成结构示意图无刷直流电机的结构类似于永磁同步电机，其核心部分是电机本体，是实现机电能量转换的核心。
因此，其设计在确保整个系统可靠运行方面具有关键性作用。
无刷直流电机工作原理
无刷直流电机工作原理无刷直流电机，也称为永磁同步电机，是一种使用永磁体作为励磁源，通过电子器件将电流进行控制的直流电机。
相比传统的刷式直流电机，无刷直流电机具有效率高、寿命长、无电刷磨损等优点，因此在许多领域被广泛应用。
一、无刷直流电机的基本原理无刷直流电机的基本原理是电磁互作用，通过电流在永磁体和绕组之间产生的磁场相互作用，在转子上产生驱动转动的力。
在无刷直流电机中，永磁体通常置于定子上，通过外加直流电源进行励磁。
转子上的绕组被称为“驱动绕组”，通过在驱动绕组中施加不同的电流，可产生不同的磁场。
二、无刷直流电机的基本结构无刷直流电机主要由转子、定子、传感器、控制器等组成。
1. 转子：转子是无刷直流电机的旋转部分，通常由永磁体和绕组组成。
永磁体的磁场与定子绕组的磁场相互作用，产生旋转力。
2. 定子：定子是无刷直流电机的静止部分，通常包括固定的绕组和铁芯。
定子绕组通过外加的电流产生磁场，与转子的磁场相互作用，驱动转动。
3. 传感器：传感器用于检测转子位置和速度等信息，并将其反馈给控制器。
常见的传感器包括霍尔传感器、光电传感器等。
4. 控制器：控制器是无刷直流电机的核心部件，用于根据传感器反馈的信息，控制驱动绕组的电流，从而实现转子的精准控制。
三、无刷直流电机的工作过程无刷直流电机的工作过程可以分为电气转子和机械转子两个阶段。
1. 电气转子阶段：在电气转子阶段，控制器根据传感器反馈的转子位置信息，确定要施加给驱动绕组的电流。
根据电流的方向和大小，驱动绕组上的磁场与定子磁场相互作用，产生转矩。
在电气转子阶段，控制器会周期性地改变驱动绕组上的电流方向和大小，以确保转矩的连续性和平稳性。
通过精密的控制，无刷直流电机可以实现精准的速度和位置控制。
2. 机械转子阶段：在电气转子阶段完成后，转子进入机械转子阶段。
在机械转子阶段，转子受到的驱动力逐渐减小，最终达到平衡状态。
此时，无刷直流电机转子的运动速度和位置由外界负载和机械特性决定。
永磁无刷直流电机及其控制
永磁无刷直流电机及其控制随着科技的不断发展，永磁无刷直流电机（BLDC）逐渐成为现代电机控制领域的重要角色。
本文将详细介绍永磁无刷直流电机的原理、结构、应用，以及其控制策略。
永磁无刷直流电机是一种采用永磁体产生磁场，通过电子换向器取代机械换向器，实现无接触换向的直流电机。
其工作原理是将电能的电子脉冲信号转换为机械能，进而驱动电机运转。
永磁无刷直流电机的结构主要由定子、转子、电子换向器和永磁体组成。
其中，定子由铁芯和电枢绕组组成，转子则由永磁体和导磁体组成。
电子换向器的作用是控制定子绕组的电流方向，以实现无接触换向。
由于永磁无刷直流电机的诸多优点，如高效率、低噪音、高可靠性等，使其在许多领域得到了广泛应用。
例如，在工业自动化、机器人、电动汽车、航空航天等领域，永磁无刷直流电机都有着一席之地。
永磁无刷直流电机的控制策略主要涉及电流控制和转速控制两个方面。
在电流控制方面，需要通过调节电枢绕组的电流大小和方向，以实现电机的力矩和方向控制。
在转速控制方面，则可以通过调节电枢绕组的电流频率，实现电机的调速控制。
常用的控制算法包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
永磁无刷直流电机以其高效、可靠、节能等优点，在许多领域得到了广泛应用。
随着科技的不断进步，对永磁无刷直流电机的控制策略和控制精度提出了更高的要求。
未来，我们需要进一步研究新的控制方法和算法，以提高永磁无刷直流电机的性能和适应性，为各领域的发展贡献更多力量。
随着环境保护意识的不断提高和能源紧缺的压力，电动汽车作为一种清洁、高效的交通工具，逐渐获得了广泛的应用。
其中，永磁无刷直流电机作为电动汽车的核心动力部件，其控制技术的研究与应用显得尤为重要。
本文将对电动汽车用永磁无刷直流电机控制技术进行深入探讨。
电动汽车是指使用电力驱动的汽车，与传统汽车相比，电动汽车具有零排放、低能耗和高效率等优点。
随着政府对新能源汽车的支持力度不断加大，电动汽车的市场份额也在逐渐扩大。
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60
60
式中：n ——电动机转速，单位为r/min； D ——电枢内径； p ——极对数； τ ——极距。
如果定子每相绕组串联的匝数是N，则每相绕组的反电势为：
2 p 4 plBN
E X 2Ne 2NBl 60 n 60 n
方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为：
Bl
计算极弧系数的定义为：一个极 距内的气隙磁密平均值和气隙磁 密最大值的比值。
开关型霍尔传感器：
霍尔传感器和定子绕组是固定不转的，转子是永久磁铁，磁铁经过转子霍 尔传感器后，霍尔器件产生一个脉冲。
霍尔工作原理
•当将一块通电的半导体薄片垂直置于磁场中时，薄片两侧由此会产生电位 差，此现象称为霍尔效应。 • 霍尔集成电路具有无触点、无磨损、无火花、低功耗、寿命长、灵敏度高 、工作频率高的特点。 • 霍尔集成电路是霍尔元件与电子线路一体化的产品，它是由霍尔元件、放 大器、温度补偿电路和稳压电路利用集成电路工艺技术制成的。它能感知 一切与磁有关的物理量，又能输出相关的电控信息，所以霍尔集成电路既 是一种集成电路，又是一种磁敏传感器。
C
FA-C+
• 随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。
• 磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：1→2→3→4→5→6
• 磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：6→5→4→3→2→1
• 1.A+B6.A+C-
2.C+B- 3.C+A-
4.B+A- 5. B+C-
2）如何实现换相？
• 1.A+B6.A+C-
2.C+B- 3.C+A-
4.B+A- 5. B+C-
• 必须换相才能实现磁场的旋转，如果根据转子磁极的 位置换相，并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互 垂直的条件，就能取得最大转矩。
• 要想根据转子磁极的位置换相，换相时就必须知道转 子的位置，但并不需要连续的位置信息，只要知道换 相点的位置即可。
• 在无刷直流电机中，一般采用3个开关型霍尔传感器测 量转子的位置。由其输出的3位二进制编码去控制逆变 器中6个功率管的导通实现换相。
• 如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N极逐渐靠近 霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输减小时，其输出仍 然保持导通状态；只有磁场转变为S极并达到一定值时，其输出 才翻转为截止状态。
• 在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%。
2p
E
2EX
15
Nn Cen
二、电磁转矩
方波电动机的电磁转矩Te 是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用 而产生的。可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩。
EI
Te
式中： —角速度， 2n
其中，α是计算极弧系数。因而有：磁Φ通表：示通，过单某位一为截韦面（积伯的）磁Wb力；线磁总感数应，强用度
pN
p
EX
15
n Nn
15
是与磁力线方向垂直的单位面积上所通过 的磁力线数目，又叫磁力线密度，也叫磁 通密度，用B表示，单位为特（斯拉）T。
考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电，所以，线电势E为两相 电势之和：
转子
转子：产生磁场B
合二为一，各伺其职！
旋转磁场的产生
假定电机定子为3相6极，星型连接。转子为一对极。
A
a
COM
c b
B
C
A
N
SS
a
N
i
图6-4
COM
c
S
N
b
i
B
C
• 电流方向不同时，产生的磁场方向不同。
• 若绕组的绕线方向一致，当电流从A相绕组流进， 从B相绕组流出时，电流在两个绕组中产生的磁动 势方向是不同的。
图5 三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路
由6只功率开关元件组成的三相
H形桥式逆变电路。
一、电枢绕组的反电势
单根电枢绕组在气隙磁场中的感应电势
e Blv
式中：B ——气隙磁感应强度； l ——导体的有效长度；
v ——转子相对于定子导体的线速度。
对于线速度v 有：
v D n 2 p n
无刷直流电动机基本结构
A
Y
N N
Z
C
S
B
X
内转子，外定子
N
A
Y
Z
C
B X
S
外转子，内定子
无刷直流电机的基本原理
基本原理的公式体现： f BLI
一、直流电机
定子铁心（Fe)
f
电枢=定子铁心+导体+换向器
磁极+励磁线圈/永磁体 磁轭（Fe)
电机是：
定子
定子：产生电流I
合二为一：
各伺其职：
f=BIL
• 三相永磁无刷直流电动机转子 1
3
5
位置传感器输出信号Ha、Hb、
Hc在每360°电角度内给出了6
个代码，按其顺序排列，6个代 4
6
2
码是101、100、110、010、011、
001。当然，这一顺序与电动机
的转动方向有关，如果转向反
A
B
C
了，代码出现的顺序也将倒过
来
X
Y
Z
• 图5是三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路，也就是
6步通电顺序
A
4
1a
6 3
COM
c
b
B
2
C
5
• 三相绕组通电遵循如下规则：
每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一 个绕组不导通；
• 通电顺序如下：
1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C-
6步通电顺序
A
A
FA+C-
FA+B-
4
1a
6
3
FB+C-
FC-
COM
FB+
c
b
B
2
5
B
C FA-B+
FA+ FB-
FC+
FB-C+
FA-
C
FA-C+
• 1.A+B6.A+C-
2.C+B- 3.C+A-
4.B+A- 5. B+C-
• 每步磁场旋转60度，每6步旋转磁场旋转一周；
FA+C-
A
FA+B-
FB+C-
FCFB+
FA+ FB-
FC+
FB-C+
B
FA-B+
FA-
• 如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的 电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。
• 直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60 度按圆周分布。
• 如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度 电角度；
• 输出信号为高、低电平各占180度电角度。
• 如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输 出的三个信号可用3位二进制编码表示。
100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110
如果间隔60度，则输出波形相差60度电角度。 间隔120度与60度的二进制编码是不同的。
三相直流无刷电动机的换相原理