无刷直流电动机的运行特性

直流有刷电机：启动快速、制动及时、调速平稳、控制简单、结构简单、价格便宜。

重点是价格便宜！价格便宜！价格便宜！而且它启动电流大，在低速时扭矩（旋转力）大，能带很重的负荷。

但是由于碳刷和换向片之间存在摩擦，所以直流有刷电机容易产生火花、发热、噪音、对外界环境有电磁干扰，而且效率低、寿命短。

因为碳刷属于损耗品，容易出故障，而且用一段时间需要更换。

直流无刷电机：由于直流无刷电机省去了碳刷，所以噪音小、无需维护、故障率低、使用寿命长，而且运行时间和电压比较稳定，对于无线电的设备干扰要小。

但是它的价格贵！价格贵！价格贵！无刷电机扭矩特性不如有刷电机的扭矩特性好，或者说有刷电机容易把功率密度搞得高一些！这是因为有刷电机转子的磁力是由电流产生的，可以用大电流来产生强磁场。

而无刷电机要么靠感应产生磁场，或者采用永磁体。

特别是采用永磁体，成本要高一些。

有刷电机成本比较低，但是需要经常维护电刷或整流子。

有刷电动工具和无刷电动工具区别使用寿命；使用寿命肯定无刷电动工具长，因为没有碳刷磨损。

转速；无刷电动工具高于有刷电动工具。

而且采用数字变频控制，可控性好。

有刷电动工具运转速度低于无刷电动工具，启动后速度恒定调速不容易。

维护；有刷电动工具除了碳刷更换频繁，与电机的周边附件也要更换，维修成本高。

无刷电动工具基本上免维护，一旦坏了就是更换电机了。

有刷电机应用非常广泛，我们平常玩的小马达就是有刷电机，有刷电机由定子，转子和电刷组成，通过旋转磁场来获得动转动的力矩，定子上固定有南极和北极两块磁铁。

电机转动的时候，通过电刷和换向器接触，不同时间点会给不同线圈或者相同线圈的两个不同电极通电，线圈通电会产生磁场，线圈产生磁场的N-S极和最靠近的定子上的固定磁铁的N-S极有着角度差，根据磁场异性相吸、同性相斥的原理，这种同性相斥的力量就会推动转子转动。

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。

用途永磁直流电机是用永磁体建立磁场的一种直流电机。

永磁直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中，如录音机、VCD机、电唱机、电动按摩器及各种玩具，也广泛应用于汽车、摩托车、电动自行车、蓄电池车、船舶、航空、机械等行业，在一些高精尖产品中也有广泛应用，如录像机、复印机、照相机、手机、精密机床、银行点钞机、捆钞机等。

在舞台灯光方面，永磁直流电机，特别是小型永磁直流齿轮电机的用量非常大。

计算机行业中的打印机、扫描仪、硬盘驱动器、光盘驱动器、刻录机、冷却风扇等都要用到大量的永磁直流电机。

汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、打气泵更是用到各种永磁直流电机。

宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机等都用到永磁直流电机、在武器装备中，永磁直流电机广泛应用于导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

在工农业方面，永磁直流电机也广泛用于电气和自动化控制及仪器仪表中。

在医用方面，永磁直流电机用处更不小，如医用的各种仪器、手术工具，如开脑手术中的电动锯骨刀，特别是野外手术中的各种仪器基本上都是用的永磁直流电机。

在残疾人用品方面，如机械手、残疾车等都用到永磁直流电机。

在生活方面，用处更多，连牙刷也用永磁直流电机做成电动牙刷了。

永磁直流电机的应用真是举不胜举，可以说是无处不在。

随着时代的发展，永磁直流电机的应用会更多，原先用交流电机的许多场合均被永磁直流电机所替代。

特别是出现永磁无刷电机后，永磁直流电机的生产数量在不断地上升。

我国每年生产的各种永磁直流电机大达数十亿台以上，生产永磁直流电机的厂家不计其数。

特点1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；2、具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；3、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；4、体积小、重量轻、出力大；5、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；6、无级调速，调速范围广，过载能力强；7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%。

无刷直流电动机的运行特性2009年10月14日无刷直流电动机的运行特性为简单起见，以表面式永磁体转子结构的两相导通三相星形六状态的无刷直流电动机为例进行分析，并进行如下假定：(1)气隙磁密在空间呈梯形波(或近似方波)分布。

（2）三相绕组对称，其对应的电路单元也完全一致。

（3）忽略电枢齿槽效应、电枢反应和换向过程等的影响。

对于表面式永磁体转子结构[见图6 2(a)或图6—8(a)]转子各方向磁路的磁阻基本上不随转子位置的变化而变化，所以定子相绕组的自感L和互感M均为常数。

这样，定字三相绕组的电压平衡方程为式中：p为微分算子，p—d／di ua ub uc 为定子相绕组电压；ia ib ic 为定子相绕组电流；ea eb ec 为定子相绕组感应电动势。

当三相绕组为Y连接且没有中线时，有根据式(6 5)，可以得到如图6—9所示的无刷直流电动机的等效电路。

无刷直流电动机气隙磁密的波形如图6 10(a)所示。

当转子旋转速度为恒值时．定子每相绕组感应电动势的波形应该与气隙磁密波形一致，为简化分析．可将它近似为梯形波，如图6 10(b)所示。

为了减小转矩脉动，感应电动势波形的平顶宽度应大于120。

电角度，通常就把各相绕组的感应电动势看成是平顶宽度为120。

电角度的梯形波，并且各相感应电动单根导体在气隙磁场中的感应电动势为式中：la为电枢导体的有效长度；μ为导体的线速度，。

一等茅一等手；D为电枢内径；p为电机极对数；τ为极距设电枢绕组每相串联匝数为Nφ，每相绕组的感应电动势为梯形波气隙磁密的每极磁通为式中：“ai为计算极弧系数。

计算极弧系数a．是为了便于磁路的计算而引入的系数．定义为计算极弧宽度与极距的比值(或气隙磁密平均值与最大值的比值)。

比较式(6—6)与式(6 8)，可得把式(6 9)代人式(6—7)，可得从直流端看，任何时刻两相导通三相星形六状态的无刷直流电动机的感应电动势E都是两相绕组感应电动势的串联．所以有式中：ce为电动势系数，2．电枢电流不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感，无刷直流电动机的电压平衡方程式可以简化为式中：U为直流电源电压；△U，为开关器件的管压降；J。

无刷直流电动机的工作原理
无刷直流电动机的工作原理是基于电磁感应和磁场相互作用的原理。

无刷直流电动机通过一组绕在定子上的线圈（称为绕组）和一组安装在转子上的永磁体（称为磁极）来实现转动。

当电流通过定子绕组时，会产生一个磁场。

而当永磁体与定子磁场相互作用时，会产生电磁感应，导致转子受到一个力矩的作用，进而转动。

为了使电动机持续转动，需要周期性地改变定子绕组的通电方向。

这时候就需要使用一个位置传感器来准确检测转子的位置，以确定何时对绕组进行通电反转。

通常情况下，位置传感器是通过测量转子上的磁极位置来实现的。

当位置传感器检测到需要改变通电方向时，控制电路会根据传感器信号来驱动电流的变化，使定子绕组的电流方向反转。

通过定子磁场的改变，磁极与定子磁场之间的相互作用也会改变，从而驱动转子继续转动。

无刷直流电动机具有结构简单、效率高、无电刷磨损等优点，使其在许多应用领域得到广泛应用。

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。

For personal use only in study and research; not for commercial use直流无刷电动机工作原理与控制方法序言由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。

一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。

其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。

由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。

针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。

经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。

上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

三相直流无刷电动机的基本组成直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。

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所示为三相两极直流无刷电机结构，图1 三相两极直流无刷电机组成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结，A、B、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结。

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，从而使定子各项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。

小功率永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究摘要永磁无刷直流电动机是把电机、电子和稀土材料的高新技术产品发展紧密的结合在一起的新型电机，它具有单位体积转矩高、重量轻、转矩惯量小、控制简单、能耗少和调速性能好等优点，因而在航天航空、数控机床、机器人、汽车、计算机外围设备、军事等领域及家用电器等方面都获得了广泛的应用。

因此，设计性能优异的永磁无刷直流电机具有重要的理论意义和应用价值。

本论文系统的研究了35w小功率永磁无刷直流电机的本体设计，包括设计方法、有限元分析、性能计算、软件仿真等。

本文主要的研究内容如下：1、综述了永磁无刷直流电机的研究现状、存在问题和发展前景，分析了永磁无刷直流电机的基本理论。

2、建立永磁无刷直流电机的数学模型，先利用解析法对该电机进行电磁设计，然后利用有限元法对电机进行优化。

3、基于星形连接三相三状态的控制电路，利用Infolytic公司的MagNet电磁场分析软件建立了永磁无刷直流电机的有限元分析模型，仿真分析其静态气隙磁场分布及动态带负载时的电机特性。

并将软件仿真所得结果与设计计算结果进行比较分析，验证了设计方法的正确性。

关键词：电机设计，无刷直流电动机，有限元分析，稳态特性第一章绪论1．1永磁无刷直流电动机的发展状况永磁无刷直流电动机是一种新型的电动机，其应用广泛，相关技术仍然在不断的发展中，该类电动机的发展充分体现了现代电动机理论、电力电子技术和永磁材料的发展过程。

其中，永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器等的快速发展对永磁无刷直流电动机的进步功不可没。

1821年9月，法拉第建立的世界上第一台电机就是永磁电机，自此奠定了现代电机的基本理论基础。

十九世纪四十年代，人们研制成功了第一台直流电动机。

1873年，有刷直流电动机正式投入商业应用。

从此以后，有刷直流电动机就以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，占据了极其重要的地位。

随着生产的发展和应用领域的扩大，对直流电动机的要求也越来越高。