1、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101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。无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机的基本结构图101无刷直流电动机系统原理框图 图 10-2 无刷直流电动机的基本结构 1电机本体结构电机本体结构无刷直流电动
2、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，应满足机械方面的要求，且结构简单、运行可靠。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子磁极。图103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 定子是电机本体的静止部分，称为电枢，主要由导磁的定子铁心和导电的电枢绕组组成。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
3、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104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。图104定子大小齿结构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
4、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。2位置传感器位置传感器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
5、电压比较法(详见10.6节)。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。1.电磁式位置传感器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105所示。图105电磁式位置传感器结构(a)传感器AA剖面图；(b)传感器端面图 在图105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
6、。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，依此判断转子的位置。2.光电式光电式 光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成，如图10-6所示。遮光盘上按要求开出光槽(孔)，几个光电耦合开关沿着圆周均布，每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管(或激光器)和光电管(光电二极管，三极管或
7、光电池)所组成。红外发光二极管(或激光器)通上电后，发出红外光(或激光)；当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过光槽(孔)，使对着的光电管导通，相应地产生反应转子相对定子位置的电信号，经放大后去控制功率晶体管，使相应的定子绕组切换电流。光电式位置传感器是利用光电效应而工作的，由固定在定子上的数个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成，如图106所示。遮光盘上开有透光槽（孔），其数目等于电动机转子磁极的极对数，且有一定的跨度。光电耦合开关沿圆周均匀分布，每只均由轴向相对的红外发光二极管和光电管（光电二极管或三极管）所组成。使用时，红外发光二极管通电发出红外光，当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通
8、过光槽，使对着的光电管导通，产生反应转子相对定子位置的电信号。光电式位置传感器性能较稳定，输出的是直流电信号，无需再进行整流。但其本身产生的电信号一般比较弱，需要放大。图 10-6 光电式位置传感器3.霍尔元件式位置传感器霍尔元件式位置传感器霍尔元件式位置传感器是利用半导体材料的霍尔效应产生输出电压的，它实际上是其电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体磁敏元件。用霍尔半导体材料可制成长为l、宽为m、厚为d的六面体4端子元件，霍尔效应原理如图107所示。图107霍尔效应原理 根据霍尔效应原理，如果在垂直于lm面沿厚度方向穿过磁场B，在垂直于md面沿l方向施加控制电流I，则在宽度为m的方向上会产生
9、霍尔电动势EH，可以表示为 IBKdBIREHHH(101)式中,RH为霍尔系数，与材料的电阻率和迁移率有关；KH为灵敏度。霍尔电动势的极性随磁场B方向的变化而变化。霍尔元件式位置传感器也是由定子和转子两部分组成的。由于无刷直流电动机的转子是永磁的，因此可以很方便地利用霍尔元件式位置传感器检测转子的位置。图108所示为霍尔无刷直流电动机原理图，表示采用霍尔元件作为位置传感器的四相无刷直流电动机的工作原理。图108霍尔无刷直流电动机原理图 在图108中，两个霍尔元件H1和H2以间隔90的电角度安置于电机定子A和B相绕组的轴线上作为传感器定子，并通以控制电流，电动机转子磁极的永磁体兼作位置传感器的
10、转子产生励磁磁场。当电机转子旋转时，永磁体N极和S极轮流通过霍尔元件H1和H2，因而产生对应转子位置的两个正的和两个负的霍尔电动势，经逻辑处理后去控制功率晶体管的导通和关断，使4个定子绕组轮流切换电流。霍尔元件体积小、灵敏度高，但对环境和工作温度有一定要求，且安置和定位不便，耐震差，易于损坏。霍尔元件所产生的电动势很低，使用时需要进行放大。在实际应用中，是将霍尔元件与放大电路一起制作在同一块集成块上，构成霍尔集成元件，以方便使用。3功率电子开关电路功率电子开关电路无刷直流电动机中功率电子开关电路多采用具有自关断能力的全控器件，如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等，其中功率MOSFET
11、和IGBT目前在应用中已占主导地位。主电路一般有桥式或半桥式（非桥式）两种，与电机电枢绕组的连接有不同的组合，功率电子开关电路如图109所示。其中图(a)和(b)是半桥式电路，其余的是桥式电路。图109功率电子开关电路 电枢绕组的相数和功率电子主电路连接方式不同，电机转矩脉动及绕组利用率也不同。一般来说，相数越多，转矩脉动越小；在相同相数下，桥式电路比半桥式电路转矩脉动小，绕组利用率高。但是随着相数的增多，开关电路中使用的器件也越多，成本也就越高。三相星形桥式电路采用两两导通方式工作，其绕组利用率较高，力矩波动小，因而得到广泛应用。需要指出的是，无刷直流电动机控制系统中开关电路的工作频率是由转子的转速决定的，是一种自控式逆变器。电机中相绕组的频率和电机转速始终保持同步，不会产生振荡和失步。4控制器控制器控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，主要具有以下功能：(1)对正/反转、停车和转子位置信号进行逻辑综合，为功率开关电路各开关管提供开、关信号（换相信号），实现电机的正转、反转及停车控制。(2)在固定的供电电压下，根据速度给定和负载大小产生PWM调制信号来调节电流（转矩），实现电机开环或闭环控制。(3)实现短路、过流、过电压和欠电压等故障的检测和保护。
