无刷直流电动机

1. 无刷直流电动机结构

普通直流电动机采用磁场固定电枢旋转式结构。因为电枢是旋转的，电枢电流就必须经过电刷和换向器组成的换向装置以保持在固定位置上的电流方向不变。无刷直流电动机的结构则与其相反，即永磁体安装在转子上并随转子一起旋转，电枢绕组是固定的，在结构上与同步电动机更为相似。电枢绕组的电流换向可以借助电子换向装置来实现，不再需要机械式换向装置——电刷和换向器。

电动机本体和永磁同步电动机（PMSM）相似，转子采用永磁体，目前多使用稀土永磁材料，但没有笼式绕组和其他起动装置。其定子绕组采用交流绕组形式，一般为多相（三相、四相和五相），转子由永磁体按一定极对数（2p=2,4,6…）组成。设计中要求在定子绕组中得到顶宽为120°的梯形波，因此绕组形式往往采用整矩、集中或接近整矩、集中的形式，以便保留磁密场的谐波成分。普通直流电动机是依靠机械换向装置将直流电流变换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组，而无刷直流电动机则依靠电子换向器将方波电流（由于绕组电感的作用，实际上是梯形波）按一定的相序输入到定子的各相电枢绕组中。当无刷直流电动机定子绕组的某相通电时，该相电流产生的磁场与转子永磁体所产生的磁场相互作用产生电磁转矩，驱动转子旋转。位置传感器将转子位置信号变换成电信号去控制电子换向电路，从而使定子的各相绕组按一定的次序导通，使定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换向。这样才能使定子磁场随转子的旋转不断变化，进而产生与转子转速同步的旋转磁场，并使定子磁场与转子磁场始终保持90°的空间角，用最大转矩驱动转子旋转。由于定子绕组电流的导通次序与转子转角同步，电子换向电路起到了机械换向装置的作用，保证了电动机在运行过程中定子与转子保持基本垂直，以提高运行效率。所以无刷直流电动机就基本结构而言，可以认为是一台由电子开关换相电路、永磁式同步电动机和位置传感器组成的自同步电动机驱动系统，它在运行过程中不会失步。无刷直流电动机的转子结构既有传统的内转子结构，又有近年来出现的盘式结构、外转子结构和线性结构等新型结构形式。

2. 无刷直流电动机工作原理

无刷直流电动机驱动系统主要由无刷直流电动机、直流电源、逆变器、位置传感器和控制电路几部分组成。系统通过外接给定信号和位置传感器检测信号，经过控制电路处理，产生逆变器触发信号，驱动功率器件产生相应的开关动作，使直流电压经逆变器变换为三相交流电压输送给定子电枢绕组，产生三相方波电流。转子永磁体磁场与电枢绕组电流相互作用产生电磁转矩，驱动电动机旋转。

两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的工作原理如图 2-18 所示。工作原理分析如下：图2-19（a）所示为理想状态下的电枢绕组各相反电动势与电流，每个功率器件导通120°，互差60°；当功率器件VT3和VT4导通时，电动机的V和-U（电流流进绕组方向为正，流出为负）相通电，定子电枢合成磁势为图2-19（b）所示的 a4F ；若VT3关断，VT5导通，则电枢绕组W和-U相通电，此时合成磁势为 Fa5， Fa5比F45 在顺时针方向上前进了60°。因此定子电枢绕组产生的磁势将随着功率器件有规则地导通和关断，并按60°顺时针不断旋转。

图2-18 两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的工作原理

图2-19 无刷直流电动机工作原理

图2-19 无刷直流电动机工作原理（续）

逆变器功率器件共有六种导通组合状态，即VT1VT2、VT2VT3、VT3VT4、VT4VT5、VT5VT6、VT6VT1，每种组合状态只有与确定的转子位置或反电动势波形相对应，才能产生最大的平均电磁转矩。当两个磁势向量为垂直关系时，相互作用力最大，而定子电枢产生的磁势以60°旋转，因此转子磁势与定子电枢磁势的夹角在60°～120°范围内才能产生最大的平均电磁转矩。如图2-19（c）所示，假设在t1时刻，转子磁势 Fj在绕组UX平面上，且转子为顺时针旋转，此时应使VT5和VT4导通，定子电枢合成磁势 Fa5 与 Fj的夹角为120°，转子在F a5与 Fj产生的电磁转矩的作用下顺时针旋转，到t3时刻 F a5与 Fj的夹角为60°，此时应关断VT4导通VT6，定子电枢合成磁势 Fa6 与 Fj的夹角为120°，两者产生的电磁转矩使转子继续按顺时针旋转。

3. 无刷直流电动机运行特性

无刷直流电动机的运行可分为四种状态：正转电动、反转电动、正转制动和反转制动。逆变器功率器件的六种导通组合状态产生六个定子磁势，每两个相差60°，定子磁势向量图如图2-20所示。

当电动机正转（顺时针方向）电动时，以产生最大的正向平均电磁转矩为原则，定子电枢合成磁势 Fa应顺时针超前转子Fj60°～120°，即当Fj处于区间4时，定子磁势应为Fa4 ，导通VT3和VT4；当 Fj处于区间5时，定子磁势应为 Fa5 ，导通VT4和VT5，具体对应关系如表2-3和表2-4所示。

图2-20 定子磁势向量图

当电动机正转制动时，则以产生最大的负向平均转矩为原则，定子电枢合成磁势Fa应顺时针滞后转子 Fj60°～120°，当 Fj处于区间2时，定子磁势应为Fa5 ，导通VT4和VT5；当Fj处于区间3时，定子磁势应为 Fa6 ，导通VT5和VT6，具体对应关系如表2-3和表2-4所示。

表2-3 四象限运行 Fa与 Fj的对应关系

表2-4 定子合成磁势与功率器件导通的对应关系

同理，当电动机反转电动时，电枢合成磁势Fa逆时针超前转子 Fj60°～120°；当电动机反转制动时，定子电枢合成磁势 Fa逆时针滞后转子 Fj60°～120°。

由以上分析可知，当无刷直流电动机正转时，功率器件的导通顺序为VT6—VT1—VT2— VT3—VT4—VT5—VT6；当无刷直流电动机反转时，功率器件的导通顺序为VT1—VT6—VT5— VT4—VT3—VT2—VT1；当无刷直流电动机正转制动时，功率器件的导通顺序为VT1—VT6— VT5—VT4—VT3—VT2—VT1；当无刷直流电动机反转制动时，功率器件的导通顺序为VT6— VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。

无刷直流电动机的机械特性较硬，具有和普通直流电动机同样的控制性能，可以通过调节供电电压实现无级调速，调节电枢电流达到控制转矩的目的。

4. 无刷直流电动机的特点

（1）优点

无刷直流电动机转子采用永磁体，不需要励磁。优点为功率因数高、功率密度大、效率高、低速转矩大，在低速时可以达到理论转矩输出，起动转矩可以达到额定转矩的两倍。高速性能良好，转速不受电压与负载变化的影响，转速范围可以由几十转到十万转，转速控制精度高。在电磁性能、磁场衰退等方面的性能都优于其他种类的电动机。无换向器和电刷、结构简单牢固、尺寸和质量小、基本免维护。

（2）缺点

无刷直流电动机的控制系统比较复杂，励磁不能控制，机械特性较硬，不具有绕组式直流电动机的机械特性。如果逆变器输出波形不理想，会出现较大的转矩脉动，影响电动机的低速性能，电流损耗大，噪声较大。永磁体材料在受到高温时，会发生退磁现象。由于永磁体的作用，转子在高速旋转时电动机会产生与转速成正比的反电动势，并通过逆变器反接二极管施加在高压母线上，此种方式会造成一定的安全隐患。