无刷直流电机结构、类型和基本原理
一、概述
直流电动机的主要长处是调速和启动特性好，堵转转矩大，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严峻地影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰。缩短电动机寿命，换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难，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，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特性。又具有交流电动机结构简朴、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，还可以在高达每分钟几十万转的转要中运行。
元刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。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、更快地发展。
二、无刷直流电动机的基本结构和类型
(一)基本结构
无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言．可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。其基本结构如图5一20所示。
电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机．它包括主定子和主转子两部分，主定子上放置空间互差120。的三相对称电枢绕组Ax、BY、cz，接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成
的一对磁极。转子位置传感器也由定子、转子两部分组成。定子安装在主电动机壳内，转子和主转子同轴旋转。它的作用是把主转子的位置检测出来．变成电信号去控制电子开关电路，故也称转子位置检测器。电子开关电路中的功率开关元件分别与主定子上各相绕组相连接．通过位置传感器输出的信号，控制三极管的导通和截止．从而使主定子上各相绕组中的电流也随着转子位置的改变，按一定的顺序进行切换，实现无接触式的换向。
l.电机本体
元刷直流电动机是将普通直流电动机的定予与转子进行了互换。其转子为永久磁铁，产气愤隙磁通：定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机类似。
无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同．在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等)．绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，由于磁极中磁性材料所放位置的不同．可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。
2．转子位置传感器
转子位置传感器是无刷直流电动机的一个要害部件。可根据不同的原理构成如电磁感应式、光电式、磁敏式等多种不同的结构形式。其中，电磁感应式工作可靠，维护简便，寿命长．所以应用较多。它决定着电枢各相绕组开始通电的时刻。它的作用相称于一般直流电动机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻(相位)．相当于直流电动机中改变电刷在空间的位置，对无刷直流电动机的特性有很大的影响。
位置传感器一般也由定子和转子两部分组成。转子是用来确定电动机本体磁极的位置，定子的安放是为了检测和输出转子的位置信号。传感器种类较多．且各具特点。目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有以下几种形式。
(1)电磁式位置传感器。是一种利用电磁效应来实现位置测量的传感元件，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种形式，其中开_j变压器使用较多。
电磁感应式转子位置传感器原理如图j 2l所示。其定子由原边线圈与副边线圈绕在同一铁芯组成，转子则由一个具有一定角度(近似电动机的导通角)的导磁捌料组成，该导磁材料可由铁氧体或硅钢片制成。在线圈的原边wl端输入高频激磁信号．在副边线圈中感应出耦合转子铁芯与定子铁芯相对位置的输出信号，图中的wa经过电子线路处理，变成与电动机定子、转子位置相对应的电平信号，再经整形处理，就得到了电动机的换向信号。而没有耦合转子铁芯的定子线圈Wb、Wc均无信号输出。
电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点，但这种传感器信噪比较低．体积较大．而且其输出波形为交流，一般需经整流、滤波后方可使用，因而极大地限制了其在普通情况下的应用。
(2)磁敏式位置传感器。磁敏传感器利用电流的磁效应进行工作，所组成的位置检测器由与电机同轴安装、具有与电机转子同极数的永磁检测转子和多只空问均匀分布的磁敏元件构成。目前常用的磁敏元件为霍尔元件或霍尔集成电路，它们在磁场作用下会产生霍尔电信息。
势，经整形、放大后即可输出所需电平信号，构成了原始的位置信号。图5-22为霍尔集成电路及其开关型输出特性。
为了获得三组互差120°电角度、宽180度电角度的方波原始位置信号。需要3只在空间互差机械角度分布霍尔元件，其中户为电机极对数。图5-23给出了一台四极电动机的霍尔位置检测器完整结构，3个霍尔元件Hl、H2、H3在空间互差60°机械角度分布。当永磁检测转子依次经过霍尔元件时。根据极性的不同，产生出三相互差120°电角度、宽180°电角度的方波位置信号，它正好反映了同轴安装的电动机转子磁极的空间位置经整形电路和逻辑电路后，输出6路功率电子开关的触发信和逻辑电路号。霍尔位置检测器是永磁无刷直流电动机中采用较多的一种。
(3)光电式位置传感器和光电式位置传感元件的结构。这是一种利用与电动机转子同轴安装、带缺口旋转圆盘对光电元件进行通、断控制．以产生一系列反映转子空间位置脉冲信号的检测方式。由于三相永磁元刷直流电动机一般每l／6周期换相一次，因此只要采用与电磁式或霍尔式位置检测相似的简单检测方法即可，不必采用光电编码盘的复杂方式。简单光电元件的结构如图5一24所示．由红外发光二极管和光敏三极管构成。当元件凹槽内光芒被圆盘挡住时，光敏三极管不导通：当凹槽内光线
由圆盘缺口放过时，光敏三极管导通．以此输出开关型的位置信号。圆盘缺口弧度及光电元件空间布置规律和开口变压器式位置检测器相同。
除了以上3种位置传感器外，还有正、余弦旋转变压器和光电编码器等其他位置传感元件，但成本高、体积大、线路复杂，较少采用。由于位置检测器有机械安装、维护及运行可靠性等问题．因此近期来出现了元位置检测器。
元位置传感器检测技术的成功运用解决了位置传感器安装难的问题，而且减小了体积，提高了可靠性，受到了海内外的普遍关注。目前较为常用的方法有：反电动势检测法、续流二极管工作方式检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。
必须注重：通过各种方法所得到的位置信号一般不能直接用来控制功率管的通断．往往需要经过一定的逻辑处理后才能作用于逻辑控制单元。
3．电子换向电路
无刷直流电动机的电子换相线路是用来控制电动机定子绕组通电的顺序和导通的时间。主要由功率开关管和逻辑控制电路组成．功率开关单元是核心部分．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动机定子E的各项绕组，从而使电动机产生持续不断的转矩。控制部分是将通过位置检测得到的信号．根据需要转化成相应的脉冲信号去驱动功率开关管。目前，无刷直流电动机的主开关一般采用IGBT或M0sFET等全控型器件，有些主电路已经有了集成功率模块(PIc)和智能功率模块(IPM)，它们的应用可以使整个系统的呵靠性大幅度提高。
(=)无刷直流电动机的类型
近年来出现的元刷直流电动机，用晶体管开关电路和位置传感器代替电刷和换向器。无刷直流电动机的类型按晶体管开关电路的不同可分为桥式和非桥式两种；按所使用的位置传感器形式的不同可分为光电式、电磁式、磁敏元件式和接近开关式等。
三、无刷直流电动机的基本工作原理
在实际应用中，永磁无刷直流电动机多采用三相桥式功率主电路形式，但为了便于说明，先从三相半桥式主电路开始分析其运行原理。
1.三相半桥主电路
图5-25为三相半桥式永磁无刷直流电机（P=1）三只光电式位置传感元件H1 H2 H3 空间互差120°均匀分布，宽180°缺口遮光圆盘与电动机转子同轴安装，调整圆盘缺口与转子磁极的相对位置，使缺口边沿能反映转子磁极的空间位置。
该缺口位置使光电元件H1受光而输出高电平，触发导通功率开关VTl使直流电流流入A相绕组Ax，形成位于A相绕组轴线上的电枢磁势。此时圆盘缺口与转子磁极的相对位置被调整得使转子永相绕组平面磁势Ff位于B相绕组B-X平面上所示，如图5—26(a)所示两者相互作用产生驱动转矩，驱
使转子顺时针旋转。当转子磁极转至图5 26(b)所示的位置时，如仍保持A相绕组通电，则电枢磁势Ff的空间角度讲减为30°并继承减小，最终造成驱动转矩消失。然而由于同轴安装的旋转圆盘同步旋转，此时正好使光电元件H2受光，H1遮光，从而功率开关VT2导通，电流从A相绕组断开转而流人B相绕组B-Y，电流换相，电枢磁势变为Fb它又在旋转方向上重新领先永磁磁势Ff150°相，两者相互作用产生驱动转矩，驱使转子顺时针继续旋转。当转子磁极旋转到图5—26(c)所示的位置时，同理又发生电枢电流从B相向c相的换流，保证了电磁转矩的持续产生和电动机的继续旋转，直至重新回到图5—26(d)或图5-26(a)的起始位置。
可以看出，由于同轴安装转子位置检测圆盘的作用，定子各相绕组在位置检测器的控制下依次馈电，其相电流为120°宽的矩形波，如图5—27所示。这样的三相电流使得定子绕组产生的电枢磁场和转动中的转子永磁磁场在空间始终能保持近似垂直的关系，为最大限度地产生转矩创造了条件。同时也可以看出．经历换相过程的定子绕组电枢磁场不是匀
速旋转磁场而是跳跃式的步进磁场，转子旋转一周的范围内有3种磁状态，每种状态持续1／3周期(120。电角度)．如图5 26中FA、FB、Fc所示。可以想象，由此产生的电磁转矩存在很大的脉动．尤其低速运行时会使转速波动。为了解决这个问题，只有增加转子一周内的磁状态数，此时应采用三相桥式主电路结构。
2．三相桥式主电路
三相桥式主电路如图5一28所示，功率电子开关为标准三相桥式结构，上桥臂元件VTl、 VT3、VT5给各相绕组提供正向电流，产生正向电磁转矩；下桥臂元件VT4、VT6、VT2 给各相绕组提供反向电流，在相同极性转子永磁磁场作用下将产生反向电磁转矩。功率元件通电方式有两两通(120。导通型)和三三通电(180。导通型)，其输出转矩大小不同。
(1)两两通电方式。所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1／6周期(60°)电角度)换相一次，每次换相一个功率管，不同桥臂之间左右换相。每个功率管导通120°电角度。功率管的导通顺序依次为：vTl、vT2；vT2、vT3；vT3、vT4；vT4
VT5；VT5、VT6；VT6、VTl．．…·在这种通电方式下各导通120°电角度，每个相绕组又与
两个开关元件相连，各相绕组会在正、反两个方向均流过120°宽的方波电流，三相绕组中电流波形如图5—29所示。
由于任一时刻均有一个上桥臂元件导通使某相绕组获得正向电流产生正转矩，又有一个下桥臂元件导通使另一相绕组获得反向电流产生负转矩，此时的合成转矩应是相关相绕组通电产生的正、负转矩的矢量和，如图5—30所示。可以看出，合成转矩是一相通电时所产生转矩的√3倍，每经过一次换相合成转矩方向转过60°电角度。一个输出周期内转矩要经历方向变换6次，从而使转矩脉动比三相半桥主电路时要平缓得多。
(2)三三通电方式。所谓三三导通方式是指每一瞬间有3个功率管导通，每隔l／6周期(60°）电角度)换相一次．每次换相是同一桥臂的上下管之间换相．每个功率管导通180°电角度。功率管的导通顺序依次为：VTl、VT2、VT3；VT2、VT3、VT4；VT3、VT4、VT5；VT4、VT5、VT6；VT5、VT6、VTl；VT6、VTl、VT……：可见这种方式运转一个周期，转子合成驱动转矩的图示与两两方式下是一致的，均为6种状态，不同的是此时的合成转矩的幅值是单相绕组转矩幅值的1．5倍，这是由于三相电流同时作用的结果，电动机在运行过程中的转矩矢量合成图如图5-31所示。
虽然三相永磁无刷直流电动机是应用最广泛的一种，但人们从减少转矩的脉动、扩大单机容量等角度出发，开发出了多相电动机，如四相、五相，甚至十相、十二相电动机。为了提高电动机绕组的利用率，应采用多相同时通电运行的方式。
无刷直流电动机的转矩脉动
2009年10月13日
无刷直流电动机的转矩脉动
无刷直流电动机输出转矩大，动态响应迅速，调速控制方便．可靠性高，因此它的应用越来越广泛。但是，无刷直流电动机固有的转矩脉动问题却一直限制着其在高精度系统中的应用。对于高精度系统．转矩脉动是衡量无刷直流电动机性能的一项重要指标。因此，分析转矩脉动形成的原因．研究消除或抑制转矩脉动的方法具有十分重要的意义。
造成无刷直流电动机转矩脉动的原因很多，主要可以分为以下五个方面：
1．电磁因素引起的转矩脉动
这是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动．它与电流波形、感应电动势波形、气隙磁通密度的分布有着直接关系。理想情况下，定子电流为方波，感应电动势为梯形波，平顶宽度为120°电角度，电磁转矩为恒值。而实际电机中．由于设计和制造方面的原因．很难保持感应电动势为梯形波，或者平顶宽度不是120°电角度：或者由于转子位置检测和控制系统精度不够而造成感应电动势与电流不能保持严格同步；或者电流波形偏离方波，只能近似地按梯形波变化等。这些因素的存在都会导致电磁转矩脉动的产生。抑制电磁因素引起的转矩脉动的方法有优化设计法、最佳开通角法、谐波消去法、转矩反馈法等。
(1)优化设计法。对于无刷直流电动机，磁极形状、极弧宽度、极弧边缘形状对输出电磁转矩都有很大的影啊。当气隙磁通密度呈方波分布时，即感应电动势波形为理想的梯形波时，极弧宽度增加．则电磁转矩增加，转矩脉动减小；当极弧宽度达到π时，电机功率最大，转矩脉动为零。据此，可以通过选择合理的无电磁转矩脉动的电机磁极和极弧的设计方案，改变磁极形状，或增加极弧宽度来有效消除电磁转矩脉动。
(2)最佳开通角法。通过电机优化设计可以消除电磁转矩脉动，但也有不足之处，例如：由于电机绕组的电感限制，即使电机采用恒流源供电．在换流过程中电流不能突变，流入定子绕组的电
流波形也不可能是矩形波；另外．对于实际电机，气隙磁场很难保持理想的方波分布，绕组感应电动势波形也并非理想的矩形，这样就无法实现完全从硬件设计上消除电磁转矩脉动。因此．只能通过控制手段和策略来抑制转矩脉动。如采用最佳开通角的方法抑制电磁转矩脉动，即先推导出转矩脉动与开通角之间的函数关系式，再求取电流最优开通角，使电流波形和感应电动势波形的配合适当．从而达到削弱转矩脉动的目的。
(3)谐波消去法。由于无刷直流电机定子电流和转子磁场的非正弦，使得其相互作用产生的电磁转矩含有谐波分量，造成了转矩的脉动。电磁转矩脉动是由相电流和感应电动势相互作用而形成的。可以考虑通过控制电流的谐波成分来消除由此产生的转矩脉动。因为，在理想条件下，无刷直流电动机同频率的磁链谐波与电流谐波(三次谐波除外)相互作用可以产生恒定的转矩，不同次谐波之间是不会产生转矩的。当然，在实际情况下，由于电机的电感限制了电流的变化率，使得输入定子绕组的电流不可能是矩形波．而往往是梯形波。而且，磁链波形的平顶宽度也会小于理想时的120°电角度．使得不同次数的磁链谐波与电流谐波之间也产生了一定的谐波转矩。所以，确定最佳谐波电流的难度是很大的，这也使得谐波
消去法的应用受到了限制。
(4)转矩反馈法。谐波消去法是一种开环控制方法，当存在绕组阻抗不对称和所测电流有误差等于扰时，控制精度将会受到影响。为了克服开环控制方法的缺点,人们提出了从反馈角度考虑抑制转矩脉动的方法，即以转矩为控制对象，进行闭环控制。转矩反馈法的基本原理就是．根据位置和电流信号通过转矩观测器得到转矩反馈信号．再通过转矩控制器反馈给无刷直流电动机的主电路，实现对转矩的实时控制，从而消除转矩脉动。但是，转矩反馈法结构较为繁杂，需预先确定电机参数．且算法复杂．实现起来比较困难。
2．电流换向引起的转矩脉动
无刷直流电动机工作时．定子绕组按一定顺序换流。由于各相绕组存在电感．阻碍电流的瞬时变化．每经过一个磁状态，电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相时将引起电磁转矩的脉动。抑制由电流换向引起的转矩脉动的方法有电流反馈法、滞环电流法、重叠换向法、脉宽调制(PwM)斩波法等。
(1)电流反馈法。这种方法就是使非换向相电流保持恒定．从而使换向转矩脉动为零，因为非
换向相电流的存在会导致一定的转矩脉动。一般来说，电流反馈控制可以分为两种形式，即直流侧电流反馈控制和交流侧电流反馈控制。直流侧电流反馈控制的电流反馈信号由直流侧取出，主要控制电流幅值。由于直流侧电流反馈控制是根据流过直流电源的电流信号进行的，因此只需要一个电流传感器便可得到电流反馈信号。交流侧电流反馈控制的电流反馈信号由交流侧取出．此时，根据转子的位置来确定要控制的相电流，使其跟随给定。在换向过程中，当非换向电流未到达给定值时，PwM控制不起作用；当非换向电流超过设定值时-PwM控制开始起作用．关断所有开关器件．使电流值下降，直至低于设定值再闭合被关断的开关器件，使其值上升，依此往复，即可实现非换向相电流的调节．直至换向完成。
(2)滞环电流法。在常用的电流控制方法中，除了上述方法外，还有滞环电流控制法。其基本原理是。在电流环中，采用滞环电流调节器(Hysresis current Regulator，HcR)，通过比较参考电流和实际电流，使得换向时能够给出适合的触发信号。实际电流的幅值和滞环宽度的大小决定了HcR控制信号的输出。当实际电流小于滞环宽度的下限时，开关器件导通；随着电流的上升，达到滞环宽度的上限时，开关器件关断，使电流下降。实际电流可以是相电流，也可以是逆变器的输入电流。滞环电流法的特点是：应用简单，快速性好，具有限流能力。滞环电流控制方法可分为三种情况：由上升相电流控制的HCR．由非换向电流控制的HcR和由三相相电流独立控制的HcR。比较用这三种方法抑制换向转矩脉动效果的实验证明：后两种情况的换向转矩特性相同．对换向转矩脉动具有较好的抑制效果，且适用于低速。
(3)重叠换向法。电流反馈法、滞环电流法虽然解决了低速换向的转矩脉动问题，但通常在高速时效果不理想。现今，在高速段抑制换向转矩脉动较成熟的方法是重叠换向法。其基本原理是。换向时本应立即关断的功率开关器件并不是立即关断，而是延长了一个时间间隔，并将本不应开通的开关器件提前导通。在传统的重叠换向法中，重叠时间需预先确定．但选取合适的重叠时间较为困难，且不能最大限度地减小转矩脉动。
(4)PwM斩波法。PwM斩波法与交流侧电流反馈控制法较类似，即开关器件在断开前、导通后进行一定频率的斩波，控制换向过程中绕组的端电压．使得各换向电流上升和下降的速率相等，补偿总电流幅值的变化，抑制换向转矩脉动。与重叠换向法相比，该方法具有更小的转矩脉动，适合于精度要求更高的场合。
无刷直流电动机定子铁心为了安放定子绕组必然要有齿和植，由于定子齿槽的存在，引起气隙不均匀，一个齿距内的磁通相对集中于齿部．使气隙磁导不是常数。当转子旋转时。气隙磁场就要发生变化，产生齿槽力矩。齿槽力矩与转子位置有关，因而引起转矩脉动。齿槽力矩是永磁电机的固有特性，在电机低速轻载运行时，齿槽力矩将引起明显的转速波动，进而产生振动和噪声。因此，如何削弱齿槽力矩是永磁电机设计中较为重要的目标之一。
齿槽力矩产生的原因与前述两种引起转矩脉动的原因不同。前述两种引起转矩脉动的原因均在于定子电流与转子磁场的相互作用，而齿槽力矩是由定子铁心与转子磁场相互作用产生的，减少齿槽转矩脉动最普通的方法就是定子斜槽或转子斜极。另外，增大气隙，采用分数稽和磁性槽楔也有助于减小齿槽力矩的波动。当然，消除齿槽效应最好的方法就是采用无槽电机结构。
无槽电机的电枢绕组不管采用何种形式．它的厚度始终是实际气隙的一部分，因此无槽电机的实际等效气隙比有槽电机要大得多．所需要的励磁磁动势也要大许多．这在早期限制了无槽电机的容量和发展：近年来，随着磁性材料的迅猛发展．特别是钕铁硼等高磁能积稀土永磁材料的应用，为无槽电机的实用化创造了条件。采用无槽结构，因为同时具有超大气隙，除了能彻底消除齿槽效应引起的转矩脉动外，还能大幅度削弱由于电枢反应和机械偏心而产生的转矩脉动。
4．电枢反应引起的转矩脉动
电枢磁动势对气隙主磁场的影响．称为电枢反应。无刷直流电动机的电枢反应比较复杂，根据电枢反应的性质，电枢反应磁动势可分解为交轴分量和直轴分量。
交轴电枢反应磁动势会使气隙主磁场波形发生畸变．使气隙主磁场的磁感应强度不再是空载时的方渡，感应电动势也随之畸变。从而导致感应电动势与电枢电流的不匹配，进而引起转矩脉动。现在无刷直流电动机均采用高性能的稀土永磁材料，若采用瓦片形表面贴装式，则交轴电枢反应对气隙主磁场的影响会很微弱。这是因为交轴电枢反应磁路要经过气隙和永磁体[见图6 8(a)]，永磁材料的磁导率与空气的磁导率是非常接近的，这就使交轴电枢反应磁路的磁阻很大，交轴电枢反应的磁通很小．其对气隙主磁场的影响可以忽略不计。
直轴电枢反应磁动势在转子旋转过程中对主磁场先去磁、后增磁(见图6—7)，使负载每极总磁通在空载每极总磁通的附近变化。这样，感应电动势和电磁转矩也要发生变化，但影响不大。
机械加工和材料的不一致也是引起无刷直流电动机转矩脉动的重要原因之一。如电机机械加工及装配时产生的尺寸和形位偏差，定子冲片各槽分布不均匀．定子内外圆偏心．定、转子同轴度偏差等产生的单边磁拉力，轴承系统的摩擦转矩不均匀，转子位置传感器定位不准导致的转矩脉动．各相绕组参数不对称及电子元器件性能参数的差异而导致的转矩脉动．磁路中各零件材料特别是永磁体性能不一致而产生的转矩脉动等。因此。提高工艺加工水平也是减少转矩脉动的重要措施。
通常情况下，1KW以上的电机我们会称它为大功率无刷直流电机。无刷电机在大功率、高转速的条件下，其优越性更加明显，但对电机控制器要求会比较高。 它的原理是很多人想要知道的，以BLDC80无刷直流电机为例来说吧，此款电机额定转速15000rpm，额定功率1300W，过载能力3倍，而驱动部分按1KW设计，电源为三相220V/50HZ，驱动方式为直流PWM，这样电机的可靠性更高，控制简单，控制特性更好，无刷直流电机控制器是根据霍尔效应制作的一种磁场控制器，其安装在电机的内部，是一种开关型器件。 大功率无刷直流电机控制器输入的信号经过阻容低通滤波后再输入到单片机中，以免杂波的干扰影响单片机的判断。 这款大功率无刷直流电机主要可以应用在智能家厨、工业设备、医疗设备等领域。其中家电设备的应用最为广泛，主要应用的产品是料理机、破壁机，此款无刷直流电机是含控制器一体化的产品，可根据性能和应用要求设计电机和控制器的方案。 随着市场的需求，无刷直流电机的技术优势越来越显著，近些年大功率无刷直流电机已经迅速的得到了推广与应用，无刷直流电机控制器的技术也得到了一
定的提升。无刷直流电机选型时需参考的主要参数有以下几点：最大扭矩：可以通过将负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加得到，另外，还有一些额外的因素影响最大扭矩如气隙空气的阻力等。 平方模扭矩：可以近似的认为是实际应用需要的持续输出扭矩，由许多因素决定：最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速及运行时间等。 转速：这是有应用需求的转速，可以根据电机的转速梯形曲线来确定电机的转速需求，通常计算时要留有10%的余量。 江苏惠斯通机电科技有限公司具有完备售后服务队伍，为用户提供最佳的服务，并且取得了16949认证，是一家专业生产防爆控制电机，伺服电机，直流无刷电机的厂家，是中国航天防爆伺服制定供应商，是军工行业受欢迎品牌，其产品性价比远远高于国外品牌的同类电机。
三相无刷直流电机系统结构及工作原理
图2.3 直流无刷电动机的原理框图位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。 2.4基本工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动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反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动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动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。 2.5无刷直流电机参数 本系统采用的无刷电机参数 ·额定功率：100W ·额定电压：24V（DC） ·额定转速：3000r/min ·额定转矩：0.23N?m ·最大转矩：0.46N?m ·定位转矩：0.01N?m ·额定电流：4.0A
无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 2.2.2 电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路
无刷直流电机工作原理详解 日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 2.1 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。
BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图 2.1.3所示。
无刷直流电机结构、类型和基本原理 一、概述 直流电动机的主要长处是调速和启动特性好，堵转转矩大，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严峻地影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰。缩短电动机寿命，换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难，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，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特性。又具有交流电动机结构简朴、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，还可以在高达每分钟几十万转的转要中运行。 元刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。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、更快地发展。 二、无刷直流电动机的基本结构和类型 (一)基本结构 无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言．可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。其基本结构如图5一20所示。 电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机．它包括主定子和主转子两部分，主定子上放置空间互差120。的三相对称电枢绕组Ax、BY、cz，接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成
无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率：W 30P N = 2. 额定电压：V U N 48=，直流 3. 额定电流：A I N 1< 3. 额定转速：m in /10000r n N = 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：m 065.0036.0?φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η，按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ，t B 可由 设计者经验得1.43T ，t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ
直流无刷电机实验 一．实验目的 1.了解直流无刷电机的运行原理 2.掌握直流无刷电机的DSP控制。 二．实验内容 1.实现无刷直流电机的正反转控制 2.实现无刷的速度调节 3.实现无刷直流电机电流环和速度环双环闭环控制 三．原理简介 1.直流无刷电机的原理 无刷直流电动机的结构原理图如图2－1所示： 图1 直流无刷电动机的结构原理图 无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数(2p＝2，4，…)组成。图1中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，在图1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接[2]。 定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。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。 所以，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位量传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2所示。 图2 直流无刷电动机的原理框图 2. 直流无刷电机的控制 直流无刷电机的控制基本上类似于直流有刷电机的控制（PWM 调制），但由于无刷直流电机用电子换向器取代了机械电刷，所以无刷直流电机除了在控制各相电枢电流的同时还用对电子换向器进行控制。在无刷直流电机的运行过程中，霍尔位置传感器不断检测电机当前位置，控制器根据当前位置信息来判断下一个电子换向器的导通时序。如图3所示 H1 H3 ANC BNC BNA CNA H2 CNB ANB A Z X C y W B u V 旋转方向 反向 图1 电子换向器的工作原理 图中H1、H2和H3分别表示霍尔位置传感器的信号，H1的有效期为X 轴到u 轴
无刷直流永磁电动机设计实例 . 主要技术指标 1. 额定功率： P N 30W 2. 额定电压： U N 48V ，直流 3. 额定电流： I N 1A 3. 额定转速： n N 10000r /min 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸： 0.036 0.065m ． 主要尺寸的确定 1. 预取效率 0.63 、 2. 计算功率 P i 直流电动机 Pi ' K m P N 0.85 30 40.48W ，按陈世坤书 i N 0.63 12 长期运行 P i 132 P N 13 短期运行 P i 1 3 P N 4 3． 预取线负荷 A s ' 11000 A / m 4． 预取气隙磁感应强度 B ' 0.55T 5. 预取计算极弧系数 i 0.8 6． 预取长径比（ L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 根据计算电枢内径取电枢内径值 D i1 1.4 10 2 m 8. 气隙长度 0.7 10 3 4 m 9. 电枢外径 D 1 2.95 10 2 m 10. 极对数 p=1 11. 计算电枢铁芯长 L D i1 2 1.4 10 2 2.8 10 2 m 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长 L= 2.8 10 2 m 13. 输入永磁体轴向长 L m L 2.8 10 2 m 定子结构 1. 齿数 Z=6 设计者经验得 1.43T ， b t 由工艺取 0.295 10 2 m 3 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图 D i1 3 i A 6s . B 1P i n N 6.1 40.48 0.8 11000 0.55 2 10000 1.37 10 2 m 4. 预估齿宽 : b t tB B t K Fe 0.733 10 2 0.55 1.43 0.96 0.294 10 2m ， B t 可由 12. 极距 D i1 2p 3.14 1.4 10 2 2 2.2 10 2 m 2. 齿距 i1 3.14 1.4 10 2 0.733 10 2m 5. 预 估 轭 高 : h j1 a i B 2lB j1K Fe 2K Fe B j1 2.2 0.8 0.55 0.323 10 2m
无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上，无刷直流电机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波， 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于： 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看，“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点，考核的重点也是系统的直流电机特性，如调速特性等；而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能，特别是交流电机的性能，如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看，无刷直流电机多为方波，而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法，只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可，而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法，需要考虑电枢电流的无功和有功等。
日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。 BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图和图
无刷直流电动机简介和基本工作原理 无刷直流电动机简介和基本工作原理 无刷直流电动机简介 直流无刷电机 : 又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统” 。是将交流电源整流后变成直流， 再由逆变器转换成 频率可调的交流电, 但是, 注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。 无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC, 采用方波自控式永磁同步 电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器, 以钕铁硼作为转子的永磁材料; 产品性能超越传统直流电机的所有优点, 同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点, 数字式控 制, 是当今最理想的调速电机。 无刷直流电动机具有上述的三高特性, 非常适合使用在24 小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载; 低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动; 其稳速运转精度比直流有刷电机更高, 比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高, 性能价格比更好, 是现代化调速驱动的最佳 选择。 基本工作原理 无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步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。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速 度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始
1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停
电机与拖动基础 课程设计报告 设计题目： 学号： 指导教师： 信息与电气工程学院 二零一六年七月
直流无刷电机本体设计 1. 设计任务 (1) 额定功率 80N P W = (2) 额定电压310N U V ≤ (3) 电动机运行时额定转速 1000/min N n r = (4) 发电机运行时空载转速max 6000/min n r = (5) 最大允许过载倍数 2.5λ= (6) 耐冲击能力21500/m a m s = (7) 机壳外径42D mm ≤ 设计内容： 1. 根据给定的技术指标，计算电机基本尺寸，包括：定子铁心外径、定子铁心内径、铁心长度等。 2. 磁路计算，包括极对选择、磁钢选型、磁钢厚度、气隙长度等方面计算。 3. 定子绕组计算，包括定子绕组形式、定子槽数、绕组节距等计算。 2. 理论与计算过程 2.1 直流无刷电机的基本组成环节 直流无刷电动机的结构原理如图2-1-1所示。它主要由电机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,……）组成。图中的电机本体为三相电机。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。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。 因此，所谓直流无刷电机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2-1-2所示。
直流无刷电机的工作原理 直流无刷电机的优越性 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。 此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 直流无刷电机的控制结构 直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转 子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直 流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子 的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电 机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图(1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需 求转换输入电源频率。
无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率：W 30P N = 2. 额定电压：V U N 48=，直流 3. 额定电流：A I N 1< 3. 额定转速：m in /10000r n N = 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：m 065.0036.0?φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η，按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ，t B 可由 设计者经验得1.43T ，t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ
无刷直流电机属于直流电机，我们需要先清楚何为直流电机。 直流电机是指能输出直流电流的发电机，或通入直流电流而产生机械运动的电动机。直流电机简易模型如下图。 原动机以恒定转速拖动电枢即直流发电机。若把负载改为直流电源，则电机做电动机运行。 直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰。缩短电动机寿命，换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难，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，这就是无刷直流电机，它没有电刷和换向器。 构成和原理： 以无刷直流电动机为例： 无刷直流电动机通常是由永磁电机本体、转子位置传感器和功率电子开关三部分组成。 众所周知，直流电动机从电刷向外看虽然是直流的，但从电刷向内看，电枢绕组中的感应电势和流过的电流完全是交变的。从电枢绕组和定子磁场之间的相互作用看实际上是一台电励磁的电动机。电动机运行方式下，换向器起逆变作用，把电源直流逆变成交流送入电枢绕组。永磁无刷电动机用功率电子开关代替了直流电机中的换向器，用无接触式的转子位置检测器代替了基于接触导电的电刷，尽管两者结构不同，但作用完全相同。 无刷直流电动机中的位置传感器的作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置，并在确定的相对位置上发出信号控制功率放大元件，使定子绕组中的电流进行切换。通过位置传感器测量转子的准确位置，使各晶体管在转子的适当位置导通和截止，从而控制各电枢绕组的
电流随着转子位置的改变按一定的顺序进行换流，保证了每个磁极下电流的方向，实现了无电刷的无接触式换向。 控制： 无刷直流电机使用了位置检测器代替了电刷，电子换向电路代替了机械式换向器，因此电子控制系统是这种电机不可缺少的必要组成部分。 开环控制系统和闭环控制系统。可以实现电机正反转控制、制动、速度调节。 星形三相六状态无刷直流永磁电动机原理 当开关管BG1与BG5导通时，电流由A组线圈进B组线圈出，两个线圈形成的合成磁场方向向上，，规定此时的磁场方向为0度、转子旋转角度为0，如下图。
无刷直流电机原理 无刷直流电动机的工作原理 普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。 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。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ 调制波的对称交变矩形波。永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组建处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组
1. 磁回路分析法 图1-4 （摘自Freescale PZ104文档） 在图1-4中，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部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样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。 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，见图1-5所示： 图1-5 （摘自Freescale PZ104文档） 如此不断改变两头螺线管的电流方向，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（commutation）。注意：何时换相只与转子的位置有关，而与转速无关。 以上是两相两级无刷电机的工作原理，，下面我们来看三相两极无刷电机的构造。 2. 三相二极转子电机结构 定子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”最常用。
图1-6 （修改自Freescale PZ104文档） 图1-6显示了定子绕组的联结方式（转子未画出），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，图1-7(a)~(f)分别描述了这6种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度的方向（红、兰色表示）和两个线圈的合成磁感应强度方向（绿色表示）。 在图(a)中，AB相通电，中间的转子（图中未画出）会尽量往绿色箭头方向对齐，当转子到达图(a)中绿色箭头位置时，外线圈换相，改成AC相通电，这时转子会继续运动，并尽量往图(b)中的绿色箭头处对齐，当转子到达图(b)中箭头位置时，外线圈再次换相，改成BC相通电，再往后以此类推。当外线圈完成6次换相后，转子正好旋转一周（即360°）。再次重申一下：何时换相只与转子位置有关，而与转速无关。 图1-8中画出了换相前和换相后合成磁场方向的比较与转子位置的变化。一般来说，换相时，转子应该处于，比与新的合成磁力线方向垂直的位置不到一点的钝角位置，这样可以使产生最大的转矩的垂直位置正好处于本次通电的中间时刻。 (a) AB相通电情形(b) AC相通电情形 (c) BC相通电情形(d) BA 相通电情形 (e) CA 相通电情形(f) CB相通电情形
无刷电机结构图及里面的霍尔信号工作原理 (2009-05-30 17:33:55) 转载 标 签： 教育 霍耳的红线一般接5－12v直流电。推荐5－7v。 霍耳的信号线传递电机里面磁钢相对于线圈的位置，根据三个霍耳的信号控制器能知道此时应该如何给电机的线圈供电（不同的霍耳信号，应该给电机线圈供相对应方向的电流），就是说霍耳状态不一样，线圈的电流方向不一样。 霍耳信号传递给控制器，控制器通过粗线（不是霍耳线）给电机线圈供电，电机旋转，磁钢与线圈（准确的说是缠在定子上的线圈，其实霍耳一般安装在定子上）发生转动，霍耳感应出新的位置信号，控制器粗线又给电机线圈重新改变电流方向供电，电机继续旋转（线圈和磁钢的位置发生变化时，线圈必须对应的改变电流方向，这样电机才能继续向一个方向运动，不然电机就会在某一个位置左右摆动，而不是连续旋转），这就是电子换相。 电动车用无刷直流电机工作原理 摘要: 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为bldc.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kw,可设计到400kw,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。. 关键词:无刷直流电机永磁同步电机直流变频钕铁硼 abstract: brushless direct current motor has the same dc motor output characteris tics, also named bldc. bldc have higher output torque in low speed, higher efficiency and better speed precision than any control modes of frequency converter drives. this chapte r introduce capacity up to 400kw for the industrial application. key words:brushless direct current motor permanent magnetic synchronous motor bldc ndfeb [中图分类号]tm921 [文献标识码]b 文章编号1561-0330(2003)06-00 1 无刷直流电动机简介 无刷直流电动机的学名叫“无换向器电机”或“无整流子电机”,是一种新型的无级变速电机,它由一台同步电机和一组逆变桥所组成,如图1所示。它具有直流电机那样良好的调速特性,但是由於没有换向器,因而可做成无接触式,具有结构简单,制造方便,不需要经常性维护等优点,是一种现想的变速电机。 在工作原理上有二种不同的工作方式： (1)直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”,如图1所示。是将三相交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。(2)交流无刷电动机:它是利用交-交变频器向同步机供给交流电。
. 无刷直流永磁电动机设计实例 一.主要技术指标 1.额定功率：P N30W 2.额定电压：U N 48，直流 V 3.额定电流：I N1A 3.额定转速：n N10000r/min 4.工作状态：短期运行 5.设计方式：按方波设计 6.外形尺寸：0.0360.065m 二．主要尺寸的确定 1.预取效率0.63、 2.计算功率P i 直流电动机 ' K m P N0.8530 P i40.48W，按陈世坤书。 N 0.63 长期运行 1 2 PN Pi 3 短期运行 1 3 PN Pi 4 3．预取线负荷A s'11000A/m 4．预取气隙磁感应强度B'0.55T 5. 预取计算极弧系数i0.8 6．预取长径比（L/D）λ′=2
Word资料
. 7．计算电枢内径 6.1P i 6.1 40.48 10 2 m D i13 3 1.37 i A s B n N 0.811000 0.55 210000 根据计算电枢内径取电枢内径值D i1 1.4 102 m 8. 气隙长度 0.7 103 m 9. 电枢外径D 1 2.95 102m 10. 极对数p=1 11.计算电枢铁芯长 L D i1 2 1.4 102 2.8 102 m 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长 L= 2.8102 m 12. 极距 Di13.14 1.410 2 2 m 2p 2 2.2 10 13. 输入永磁体轴向长L m L 2.8102 m 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 D i1 3.141.410 2 10 2 m t 6 0.733 z 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: b t tB 0.733 102 0.55 0.294 10 2 m ，B t 可由 B t K Fe 1.430.96 设计者经验得 1.43T ，b t 由工艺取0.295102 m 5. 预估轭高: h j1 a i B 2.2 0.8 0.55 0.32310 2 m 2lB j1K Fe 2KFeBj1 2 0.96 1.56