直流无刷电机与交流无刷电机比较

无刷直流电机

1 永磁无刷直流电动机的工作原理

有刷直流电动机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。无刷直流电机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。

无刷直流电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使无刷直流电机运转起来。

由无刷直流电动机的组成来看，它实际上是一个由电动机本体、电子开关线路及转子磁钢位置传感器组成的闭环系统。电动机本体有星形连接方式和角形连接方式，电子开关线路的逆变器可采用半桥电路或全桥电路，因此，不同的选择会使电动机产生不同的性能并且成本也不同。下面对此作一个对比。

(l) 绕组利用率 与普通直流电动机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组通电利用率可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，定子绕组三相比四相好，四相比五相好，电子开关线路逆变器采用全桥控制比半桥控制好。

(2) 转矩的波动 无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转矩脉动。一般相数越多，转矩的脉动越小。全桥驱动比半桥驱动转矩的脉动小。

(3) 电路成本 相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高。全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。

综合上述分析，目前以三相星形全桥驱动方式应用最多。以下就以三相星形全桥驱动的无刷直流电动机为例，用图2-2分析其工作原理。

直流无刷电机工作原理

所谓直流无刷电机，是具备直流电机与交流电机之优点，对于以往直流电机之用途，连近年来交流电机之用途，均有直流无刷电机被加以利用，就构造而言，若将有电刷的永磁式直流伺服电机的定子与转子互换就成为永磁式直流无刷伺服电机，不过无刷式电机的定子线圈为三相绕组，故基本上其为交流电机，直流无刷是沿用产业惯用之名称。直流无刷电机是将传统的DC电机之整流部份（电刷及换向器）以电子方式代替且保留DC电机可急遽加速，转速和外加电压成正比，转矩和电枢电流成正比等优点，为一特性非常优良之电机。直流无刷电机最大的特征为无刷构造的关系，原理上不会产生噪声。无刷电机之激磁部份在转子上由永久磁铁构成，电枢位于定子上，因此可以不需要电刷传导电流。因此其驱动电路一般均使用PWM型变频器，再配合霍尔组件或分解器等磁极检测组件，可得圆滑且稳定之转矩，常用于需要高速及高精度控制之情况。

常用的传统直流电机的缺点：

电刷与换向片的高速滑动，造成电刷与换向片磨擦甚巨，如此一来引起不必要的种种电气障碍与故障。

改进方式：

直流无刷电机针对此缺点改进，取代引起毛病的电刷与换向片，改以电子组件代替，但原有直流机的优点仍能保留，故无刷直流电机可说是传统直流电机改进而成的。

无刷电机与有刷电机之差异与比较：

· 有刷电机

以机械式整流子或电刷来控制换向动作

· 无刷电机

以电子式的晶体管来控制换相动作。

利用磁场力的吸引及磁场的变化(换向)来达成旋转输出的动作。

电子式的换向器主要是利用Hall Sensor 感应电机位置的变化，以控制晶体管的开或关。

无刷电机与有刷电机之差异

无刷电机与有刷电机之比较

(1)换向时不易产生高温之电弧及金属屑。

(2)电气噪声少，可靠度高、寿命长且易高速化。

(3)低电压、起动快、易控制。

(4)制造容易、体积小。

(5)可适用于高温环境下且维修费低。

(6)在电刷部分不产生碳粉、油雾等之污垢。

直流电机与交流电机的区别

电动机的作用是将电能转换为机械能。电动机分为交流电动机和直流电动机两大类。

(一) 交流电动机及其控制

交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类。异步电动机按照定子相数的不同分为单项异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等优点，广泛应用于工农业生产中。

1. 三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机的构造也分为两部分：定子与转子。

（1）定子：

定子是电动机固定部分，作用是用来产生旋转磁场。它主要由定子铁心、定子绕组和机座组成。

（2）转子：

转子是重点掌握的部分，转子有两种，鼠笼式与绕线式。掌握他们各自的特点与区别。鼠笼式用于中小功率（100K以下）的电动机，他的结构简单，工作可靠，使用维护方便。绕线式可以改善启动性能和调节转速，定子与转子之间的

气隙大小，会影响电动机的性能，一般气隙厚度为之间。

掌握定子绕组的接线方法。

2. 三相异步电动机的工作原理

掌握公式n1=60f/P、S=(n1-n)/n1、n=(1-S)60f/P，同时明白它们的意义（很重要），要能够灵活运用这些公式，进行计算。同时记住：通常电动机在额定负载下的转差率SN约为。书上的例题要重点掌握。

3. 三相异步电动机铭牌上的数据

（1）型号：掌握书上的例子。

（2）额定值：一般了解，掌握额定频率和额定转速，我国的频率为50赫兹。

（3）连接方法：有Y型和角型。

（4）绝缘等级和温升：掌握允许温升的定义。

（5）工作方式：一般了解。

4. 三相异步电动机的机械特性

掌握额定转矩、最大转矩与启动转矩的关系。书上的公式要掌握并能灵活运用进行计算。同时记住以下内容：

（1）在等速转动时，电动机的转矩必须和阻转矩相平衡。

（2）当负载转矩增大时，最初瞬间电动机的转矩T（3）一般三相异步电动机的过载系数是 .

（4）电动机刚启动时n=0,s=1. 5. 三相异步电动机的起动

无刷直流电机结构、类型和基本原理

2009年10月14日

无刷直流电动机

一、概述

直流电动机的主要优点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。

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，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。