无刷直流电动机的主要组成部分有电动机主体

2.1无刷直流电动机的基本结构

无刷直流电动机的主要组成部分有电动机主体、位置传感器与电子开关线路等3部分，如图1-3所示。电动机本体主要包括带有电枢绕组的定子和转子，定子部分最重要的部件是电子的绕组，当电机接上电源后，电流流入绕组，产生磁动势，后者与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电功率，并通过转子输出一定的机械功率从而实现了将电能转换为机械能这个过程。电机的转子是产生励磁磁场的部件，由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导磁材料组成。无刷直流电动机在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼形绕组和其他起动装置。定子绕组一般制成多相（三、

四、五相不等），转子由永久磁铁按一定的极对数（2p=2,4,...）组成，电子开关一般是由功率电子器件和它的控制电路以及转子位置传感器等所组成，以此代替了有刷直流电动机的机械换向装置并通过位置传感器来检测主转子在运行过程中的位置。检测到的位置信号将提供给电动机的控制器，为其正确驱动电子换相提供依据。图1-3所示的电动机本体为2极三相。定子A 、B 、C 相绕组分别于电力开关元件1V 、2V 、

3V 相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。

位置传感器

电动机电子开关线路

图2-1 无刷直流电动机的组成原理图 A

C ’B

A ’

C B ’V1V2V3

图1-3 无刷直流电动机的组成原理图

定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁铁的磁极产生的磁场相互作用，从而产生转矩，驱动转子旋转；再由位置传感器将转子磁极位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的顺序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

直流无刷电动机中的电子开关线路是用来控制电动机定子各相绕组的通电顺序和时间的，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子的各项绕组，以使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组的导通顺序和时间主要取决于来自转子位置传感器的信号。但位置传感器产生的信号要经过一定的逻辑处理后去控制功率开关。综上所述，组成直流无刷电动

图1-5 直流无刷电动机的组成框图

2 无刷直流电机的工作原理

无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，无刷直流电机的工作过程是电动机本体、位置传感器和电子开关电路三者协同工作的过程，只要有任何一方出了差错，都会对电机的运行造成很大的影响。在无刷直流电机中，借助反映转子位置的位置传感器的输出信号，通过电子开关电路路去驱动与电枢绕组联接的相应的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在主定子上产生跳

跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断送出信号，然后通过控制器对这些信号的判断，不断送出驱动信号控制相应的功率器件开关，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的无接触式换流过程的实质。其原理框图如图2-3 所示：

输出直流电源电子开关线路电动机主体

位置传感器

图2-3 无刷直流电动机原理框图

无刷直流电机中的永磁钢装在转子上，电枢绕组装在定子上，而有刷直流电机的磁钢是装在定子上。这恰好与传统的直流电动机结构相反。无刷直流电机的电子换向线路的主要功能是通过一定逻辑处理过后的位置传感器的转子位置信号去控制电机定子上各相绕组的通电顺序和时间，其主要由功率开关单元和位置传感器的信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机的各项绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。无刷直流电机由电机本体、位置传感器以及电子开关电路共同组成换相装置，使无刷直流电机在运行过程中，定子绕组所产生的磁场和在

90左右的电角度。

转动中转子磁铁所产生的永久磁场在空间始终保持0

一般的直流电机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生感应磁场。由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电机不停的运转。有刷直流电机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。和无刷直流电机相比，就不难看出，其实无刷直流电机和有刷直流电机一样，本身都是一台同步电机，只是有刷直流电机中加的是一个机械的逆变器一换向器和电刷，而无刷直流电机中采用电子换向装置一电子逆变器代替机械换向器和电刷的作用。尽管二者构造不同，但它们所起的作用却是完全相同的，都是为了实现直

流电机的换相。

2.1.3 无刷直流电机的运行特性

无刷直流电机的运行特性是指电机在转动、正常工作和调速等情况下，电机外部各可测物理量之间的关系。

电机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。因此，我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随输入电压、电流、负载变化而变化的规律。据此，电机的运行特性可分为起动特性，工作特性、机械特性和调速特性。

讨论各种电机的运行特性时，一般都从转速公式、电动势平衡方程式、转矩公式和转矩平衡方程式出发。

对于无刷直流电机，其电动势平衡方程式为

错误！未找到引用源。(1-1)

式中，U是电源电压（V）；E是电枢绕组反电动势（V）；Iacp是平均电枢电流（A）；错误！未找到引用源。是电枢绕组的平均电阻（Ω）；ΔU是功率晶体管饱和管压降（V），对于桥式换相线路为2ΔU。

对于不同的电枢绕组形式和换相线路形式，电枢绕组反电动势有不同的等效表达式，但不论哪一种绕组和线路结构，均可表示为

错误！未找到引用源。(1-2)

式中，n是电机转速（r／min）；错误！未找到引用源。是反电动势系数（V ／r／min）。由式（1－1）、式（1－2）可知：

错误！未找到引用源。(1-3)

在转速不变时，转矩平衡方程式为

错误！未找到引用源。(1-4)

式中，M2是输出转矩（N·m）Mo是摩擦转矩（N·m）,M是电磁转矩。这里，错误！未找到引用源。(1-5)

Km为转矩系数（N·m／A）。

在转速变化的情况下，则

错误！未找到引用源。(1-6)

式中，J是转动部分（包括电机本体转子及负载）的转动惯量（kg。2m）；ω是转子的机械角速度（rad／s）。

1. 起动特性

由1-1~1-6可知，电机在起动时，由于反电动势为零，因此电枢电流（即起动电流）为

acp

n r U U I ?-= (1-7) 其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍，所以，由式(1-5)可知，此时电枢的电磁转矩非常大，电机能很快起，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电动势E 增加，电磁转矩降低，加速转矩也减小，最后进入正常工作状态。在空载起动时，电枢电流和转矩的变化如图1-20所示。

在起动时电枢电流比较大，为了防止电机被烧坏，所以控制器在控制电机起动时必须要使PWM 驱动波保持在一个合理的占空比里，并设置电流反馈控制环节，以保持电机在一个电机能接受的范围内能快速起动。另外当电机发生堵转时，电机也会产生很大的电枢电流，这时要在控制器上设置一个过流保护电路以此电机的安全。

需要指出的是，无刷直流电机的起动转矩，除了与起动电流有关外，还与转子相对与电枢绕组的位置有关。转矩位置不同时，起动转矩是不同的，这是因为上面所讨论的关系式都是平均值间的关系。而实际上，由于电枢绕组产生的磁场是跳跃的，当转子所处位置不同时，转子磁场与电枢磁场之间的夹角在变化，因此所产生的电磁转矩也是变化的。这个变化量要比有刷直流电机因电刷接触压降和电刷所短路元件数的变化而造成的起动转矩的变化大的多。

2. 工作特性

在无刷直流电机中，工作特性主要包活如下几方面的关系：电枢电流和电机效率与输出转矩之间的关系。

（1） 电枢电流和输出转矩关系由式1-5可知，电枢电流随着输出转矩的增加而增加，如图1-5所示。

图1-5 工作特性 （2） 电机效率和输出转矩之间的关系，这里只考擦电机部分的效率与输出转矩的关系。电机效率：1

121p p p p ∑-==η 1-8 式中，∑p 为电机的损耗；1p 为电机的输入功率，U I P acp =1；2P 为输出功率，n M P 22=。

02=M ，即没有转矩时，电机的效率为零。随着输出转矩的增加，电机的效率也就增加。当电机的可变损耗等于不变损耗时，电机效率达到最大值。随后，效率又开始下降，如图1-20所示。

3. 机械特性和调速特性

由式1-1、1-2、1-4、1-5可以看出，无刷直流电动机基本公式与一般直流电动机基本公式在形式上完全一样，差别只是式中各物理量和系数的计算式不同，另外，电源电压a U 变成T a U U ?-,因此无刷直流电动机的机械特性和调节特性形状应与一般直流电动机相同，如图1-22和图1-4所示。

电机的机械特性是指外加电源恒定时，电机转速和电磁转矩之间的关系。由式1-1~1-3可知：当电机以一定的转速正常运行时，此时电枢电流为： 错误！未找到引用源。 (1-9)

电磁转矩为：

错误！未找到引用源。 (1-10)

当不计U 的变化和电枢反应的影响时，式1-9等号右边的第一项是常数，所以电磁转矩随转速的减小而线性增加。此时，流过晶体管和电枢绕组的电流很大，晶体管管压降T U ?随着电流的增大而增加较快，从而使加在电枢绕组上的电压不

恒定而有所减小，因而无刷直流电动机的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲，如图1-22所示。

当转速为零时，此时的转速即为起动电磁转矩。当式1-10等号右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。

由式1-10可知，在同一转速下改变电源电压，可以容易的改变输出转矩或在同一负载下改变转速。所以，无刷直流电机的调速性能很好，可以通过改变电源电压实现平滑调速，但此时电子换相线路及其他控制线路的电源电压仍应保持不变。总之，无刷直流电机的运行特性与有刷直流点及极为相似，有着良好的伺服控制性能。

图1-22 无刷直流电机机械特性曲线

图1-4 调节特性

调节特性的始动电压和斜率分别为： m

acp a K Tr U =0 （1-11） e

K K 1= （1-12） 从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。