控制电机(陈隆昌 西电第四版)第10章 无刷直流电动机
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本节将简单介绍电磁式、光电式和霍尔元件式等三种 常用位置传感器的结构和原理。
第10章 无刷直流电动机
1.电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁感应原理来工作的，由 定子和转子两部分组成，其结构如图10－5所示。
图10－5 电磁式位置传感器结构 (a)传感器A－A′剖面图；(b)传感器端面图
第10章 无刷直流电动机
第10章 无刷直流电动机
控制电机（陈隆昌 西电第四版）第 10章 无刷直流电动机
第10章 无刷直流电动机
10.1 概 述
传统直流电动机具有调速和起动特性好、堵转转矩大 等优点，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统。但是， 直流电动机中电刷和换向器之间的机械接触严重影响了电 机运行的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起电磁 干扰，缩短电机寿命，同时电刷和换向器装置使直流电机 结构复杂、噪音大、维护困难，限制了其在很多场合中的 应用，因此，长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向 器装置的直流电动机。随着电子技术的迅速发展以及各种 大功率电子器件的广泛应用，这种愿望已逐步得以实现。
第10章 无刷直流电动机
图10－4 定子大小齿结构
第10章 无刷直流电动机
定子铁心中放置对称的多相（三相、四相或五相）电 枢绕组，对称多相电枢绕组接成星形或封闭形（角形）， 各相绕组分别与电子开关线路中的相应功率开关管相连。 当电动机经功率开关电路接上电源后，电流流入绕组，产 生磁场，该磁场与转子磁场相互作用而产生电磁转矩，电 动机带动负载旋转。电动机转动起来后，便在绕组中产生 反电动势，吸收一定的电功率并通过转子输出一定的机械 功率，从而将电能转换为机械能。要求绕组能流过一定的 电流，产生足够的磁场并得到足够的转矩。
在图10－5中，定子上有铁心和线圈，铁心的中间为圆 柱体，安放励磁绕组Wj，绕组外施高频（一般为几千赫兹到 几十千赫兹）电源励磁；铁心沿定子圆周有轴向凸出的极， 极上套有信号线圈Wa、Wb和Wc，以感应信号电压。导磁扇 形片放置在不导磁的铝合金圆形基盘上制成转子，固定在电 动机的转轴上，扇形片数等于电机极对数。由于励磁电源的 频率高达几千赫兹以上，因此定子铁心及转子导磁扇形片均 由高频导磁材料（如软磁铁氧体）制成。可以看出，这实际 上是有着共同励磁线圈的几个开口变压器。当扇形导磁片随 着电动机转子同步旋转时，其与传感器定子圆周凸极的相对 位置发生变化，使开口变压器磁路的磁阻变化，信号线圈匝 链的磁通大小变化，可感应出不同幅值的电动势，依此判断
定子铁心用硅钢片叠成以减少铁心损耗，同时为减少 涡流损耗，在硅钢片表面涂绝缘漆，将硅钢片冲成带有齿 槽的冲片，槽数根据绕组的相数和极数来定。常用的定子 铁心结构有两种，一种为分数槽(每极每相槽数为分数)集中 绕组结构，其类似于传统直流电机定子磁极的大齿（凸极） 结构，凸极上绕有集中绕组，有时在大齿表面开有多个小 齿以减小齿槽转矩，定子大、小齿结构如图10－4所示；另 一种与普通的同步电动机或感应电动机类似，在叠装好的 铁心槽内嵌放跨接式的集中或分布绕组，其线圈可以是整 距也可以是短距，为减少齿槽转矩和噪音，定子铁心有时 采用斜槽。
电机本体由定子和转子两个主要部分构成，分内转子 和外转子两种型式。除导磁铁心外，转子上安放有用永磁 材料制成的永磁体，形成一定极对数的转无刷直流电动机内转子结构型式 （a）面贴式；（b）内嵌式；（c）整体粘结式
第10章 无刷直流电动机
定子是电机本体的静止部分，称为电枢，主要由导磁
第10章 无刷直流电动机
10.2.2 转子磁场相对于定子绕组位置的检测是无刷直流电动
机运行的关键，对这一位置检测的直接方法就是采用位置 传感器，将转子磁极的位置信号转换成电信号。 正余弦旋转变压器或者编码器也可用作位置传感器，但成 本较高，仅用在精密控制场合。此外，还有利用容易检测 的电量信号来间接判断转子磁极位置的方案，其中最具代 表性的是电动机定子绕组的反电动势过零检测法或者称为 端电压比较法(详见10.6节)
第10章 无刷直流电动机
图10－1 无刷直流电动机系统原理框图
第10章 无刷直流电动机
图 10 - 2 无刷直流电动机的基本结构
第10章 无刷直流电动机
10.2.1 无刷直流电动机本体,首先应满足电磁方面的要求，保
证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组允许流过一定 的电流，以便产生一定的电磁转矩；其次，应满足机械方
第10章 无刷直流电动机
无刷直流电动机（BrushlessDCMotor，BLDCM）正是 随着近年来微处理器技术和新型功率电子器件的不断发展， 以及高磁能积、低成本的永磁材料的出现而逐渐成熟的一种
无刷直流电动机用电子开关线路和位置传感器代替了传 统直流电动机中的电刷和换向器，既具有直流电动机的特性， 又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。 它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，则可以 在高达每分钟数万转的转速下运行。无刷直流电动机将电子 线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域， 这将促使电机技术更新、更快的发展。
第10章 无刷直流电动机
无刷直流电动机用途非常广泛，尤其适用于高级电子 设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高
无刷直流电动机有两种定义方式，一种是认为该类电
波形均为正弦波的电动机称为调速永磁同步电动机 （Permanent Magnetic SynchronousMotor，PMSM）；而 将反电动势和供电电流波形均为方波（梯形波）的电动机 称为无刷直流电动机。另一种是将该类电机统称为无刷直 流电动机，将反电动势和供电电流波形均为正弦波的称为 正弦波无刷直流电动机；而将反电动势和供电电流为方波
第10章 无刷直流电动机
10.2 无刷直流电动机的基本结构
无刷直流电动机是一种通过电子开关线路实现换相的 新型电子运行电机，由电动机本体、电子开关线路（功率 电子逆变电路）、转子位置传感器和控制器等组成无刷直 流电动机系统，其原理框图如图10－1所示。图中直流电源 通过电子开关线路向电动机定子绕组供电，电机转子位置 由位置传感器检测并送入控制器，在控制器中经过逻辑处 理产生相应的换相信号，以一定的规律控制电子开关线路 中的功率开关器件，使之导通或关断，将电源顺序分配给 电动机定子的各相绕组，从而使电动机转动。
第10章 无刷直流电动机
1.电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁感应原理来工作的，由 定子和转子两部分组成，其结构如图10－5所示。
图10－5 电磁式位置传感器结构 (a)传感器A－A′剖面图；(b)传感器端面图
第10章 无刷直流电动机
第10章 无刷直流电动机
控制电机（陈隆昌 西电第四版）第 10章 无刷直流电动机
第10章 无刷直流电动机
10.1 概 述
传统直流电动机具有调速和起动特性好、堵转转矩大 等优点，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统。但是， 直流电动机中电刷和换向器之间的机械接触严重影响了电 机运行的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起电磁 干扰，缩短电机寿命，同时电刷和换向器装置使直流电机 结构复杂、噪音大、维护困难，限制了其在很多场合中的 应用，因此，长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向 器装置的直流电动机。随着电子技术的迅速发展以及各种 大功率电子器件的广泛应用，这种愿望已逐步得以实现。
第10章 无刷直流电动机
图10－4 定子大小齿结构
第10章 无刷直流电动机
定子铁心中放置对称的多相（三相、四相或五相）电 枢绕组，对称多相电枢绕组接成星形或封闭形（角形）， 各相绕组分别与电子开关线路中的相应功率开关管相连。 当电动机经功率开关电路接上电源后，电流流入绕组，产 生磁场，该磁场与转子磁场相互作用而产生电磁转矩，电 动机带动负载旋转。电动机转动起来后，便在绕组中产生 反电动势，吸收一定的电功率并通过转子输出一定的机械 功率，从而将电能转换为机械能。要求绕组能流过一定的 电流，产生足够的磁场并得到足够的转矩。
在图10－5中，定子上有铁心和线圈，铁心的中间为圆 柱体，安放励磁绕组Wj，绕组外施高频（一般为几千赫兹到 几十千赫兹）电源励磁；铁心沿定子圆周有轴向凸出的极， 极上套有信号线圈Wa、Wb和Wc，以感应信号电压。导磁扇 形片放置在不导磁的铝合金圆形基盘上制成转子，固定在电 动机的转轴上，扇形片数等于电机极对数。由于励磁电源的 频率高达几千赫兹以上，因此定子铁心及转子导磁扇形片均 由高频导磁材料（如软磁铁氧体）制成。可以看出，这实际 上是有着共同励磁线圈的几个开口变压器。当扇形导磁片随 着电动机转子同步旋转时，其与传感器定子圆周凸极的相对 位置发生变化，使开口变压器磁路的磁阻变化，信号线圈匝 链的磁通大小变化，可感应出不同幅值的电动势，依此判断
定子铁心用硅钢片叠成以减少铁心损耗，同时为减少 涡流损耗，在硅钢片表面涂绝缘漆，将硅钢片冲成带有齿 槽的冲片，槽数根据绕组的相数和极数来定。常用的定子 铁心结构有两种，一种为分数槽(每极每相槽数为分数)集中 绕组结构，其类似于传统直流电机定子磁极的大齿（凸极） 结构，凸极上绕有集中绕组，有时在大齿表面开有多个小 齿以减小齿槽转矩，定子大、小齿结构如图10－4所示；另 一种与普通的同步电动机或感应电动机类似，在叠装好的 铁心槽内嵌放跨接式的集中或分布绕组，其线圈可以是整 距也可以是短距，为减少齿槽转矩和噪音，定子铁心有时 采用斜槽。
电机本体由定子和转子两个主要部分构成，分内转子 和外转子两种型式。除导磁铁心外，转子上安放有用永磁 材料制成的永磁体，形成一定极对数的转无刷直流电动机内转子结构型式 （a）面贴式；（b）内嵌式；（c）整体粘结式
第10章 无刷直流电动机
定子是电机本体的静止部分，称为电枢，主要由导磁
第10章 无刷直流电动机
10.2.2 转子磁场相对于定子绕组位置的检测是无刷直流电动
机运行的关键，对这一位置检测的直接方法就是采用位置 传感器，将转子磁极的位置信号转换成电信号。 正余弦旋转变压器或者编码器也可用作位置传感器，但成 本较高，仅用在精密控制场合。此外，还有利用容易检测 的电量信号来间接判断转子磁极位置的方案，其中最具代 表性的是电动机定子绕组的反电动势过零检测法或者称为 端电压比较法(详见10.6节)
第10章 无刷直流电动机
图10－1 无刷直流电动机系统原理框图
第10章 无刷直流电动机
图 10 - 2 无刷直流电动机的基本结构
第10章 无刷直流电动机
10.2.1 无刷直流电动机本体,首先应满足电磁方面的要求，保
证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组允许流过一定 的电流，以便产生一定的电磁转矩；其次，应满足机械方
第10章 无刷直流电动机
无刷直流电动机（BrushlessDCMotor，BLDCM）正是 随着近年来微处理器技术和新型功率电子器件的不断发展， 以及高磁能积、低成本的永磁材料的出现而逐渐成熟的一种
无刷直流电动机用电子开关线路和位置传感器代替了传 统直流电动机中的电刷和换向器，既具有直流电动机的特性， 又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。 它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，则可以 在高达每分钟数万转的转速下运行。无刷直流电动机将电子 线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域， 这将促使电机技术更新、更快的发展。
第10章 无刷直流电动机
无刷直流电动机用途非常广泛，尤其适用于高级电子 设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高
无刷直流电动机有两种定义方式，一种是认为该类电
波形均为正弦波的电动机称为调速永磁同步电动机 （Permanent Magnetic SynchronousMotor，PMSM）；而 将反电动势和供电电流波形均为方波（梯形波）的电动机 称为无刷直流电动机。另一种是将该类电机统称为无刷直 流电动机，将反电动势和供电电流波形均为正弦波的称为 正弦波无刷直流电动机；而将反电动势和供电电流为方波
第10章 无刷直流电动机
10.2 无刷直流电动机的基本结构
无刷直流电动机是一种通过电子开关线路实现换相的 新型电子运行电机，由电动机本体、电子开关线路（功率 电子逆变电路）、转子位置传感器和控制器等组成无刷直 流电动机系统，其原理框图如图10－1所示。图中直流电源 通过电子开关线路向电动机定子绕组供电，电机转子位置 由位置传感器检测并送入控制器，在控制器中经过逻辑处 理产生相应的换相信号，以一定的规律控制电子开关线路 中的功率开关器件，使之导通或关断，将电源顺序分配给 电动机定子的各相绕组，从而使电动机转动。