图文讲解无刷直流电机的工作原理

图文讲解无刷直流电机的工作原理

导读：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。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。它的应用非常广泛，在很多机电一体化设备上都有它的身影。

什么是无刷电机？

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。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。

无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。

看看这个工程师怎么说？

首先给大家复习几个基础定则：左手定则、右手定则、右手螺旋定则。别懵逼，我下面会给大家解释。

左手定则，这个是电机转动受力分析的基础，简单说就是磁场中的载流导体，会受到力的作用。

让磁感线穿过手掌正面，手指方向为电流方向，大拇指方向为产生磁力的方向，我相信喜欢玩模型的人都还有一定物理基础的哈哈。

右手定则，这是产生感生电动势的基础，跟左手定则的相反，磁场中的导体因受到力的牵引切割磁感线产生电动势。

让磁感线穿过掌心，大拇指方向为运动方向，手指方向为产生的电动势方向。为什么要讲感生电动势呢？不知道大家有没有类似的经历，把电机的三相线合在一起，用手去转动电机会发现阻力非常大，这就是因为在转动电机过程中产生了感生电动势，从而产生电流，磁场中电流流过导体又会产生和转动方向相反的力，大家就会感觉转动有很大的阻力。不信可以试试。

三相线分开，电机可以轻松转动

三相线合并，电机转动阻力非常大

右手螺旋定则，用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方

向一致，那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。

这个定则是通电线圈判断极性的基础，红色箭头方向即为电流方向。看完了三大定则，我们接下来先看看电机转动的基本原理。

第一部分：直流电机模型

我们找到一个中学物理学过的直流电机的模型，通过磁回路分析法来进行一个简单的分析。

状态1

当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度B （如粗箭头方向所示），而中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。

当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大。注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大。诚然，在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为0，当然也就不会转动了。补充一句，力矩是力与力臂的乘积。其中一个为零，乘积就为零了。

当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动，

状态2

如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作，就叫做换相。补充一句：何时换相只与转子的位置有关，而与其他任何量无直接关系。

第二部分：三相二极内转子电机

一般来说，定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最为常用，这里就用该模型来做个简单分析。

上图显示了定子绕组的联结方式（转子未画出假想是个二极磁铁），三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A, B, C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB, AC, BC, BA, CA, CB注意这是有顺序的。

下面我看第一阶段：AB相通电

当AB相通电，则A极线圈产生的磁感线方向如红色箭头所示，B极产生的磁感线方向如图蓝色箭头所示，那么产生的合力方向即为绿色箭头所示，那么假设其中有一个二极磁铁，则根据“中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致”则N 极方向会与绿色箭头所示方向重合。至于C，暂时没他什么事。

第二阶段：AC相通电

第三阶段：BC相通电

第三阶段：BA相通电

为了节省篇幅，我们就不一一描述CA\CB的模型，大家可以自己类推一下。以下为中间磁铁（转子）的状态图：

每个过程转子旋转60度

六个过程即完成了完整的转动，其中6次换相。

第三部分：三相多绕组多极内转子电机

我们再来看一个复杂点的，图(a)是一个三相九绕组六极（三对极）内转子电机，它的绕组连线方式见图(b)。从图(b)可见，其三相绕组也是在中间点连接在一起的，也属于星形联结方式。一般而言，电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的（比如用9绕组6极，而不是6绕组6极），这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸对齐。