【学习】无刷直流电机的基本结构及工作原理

研究的是电机控制，研究的不是电机本体，所以无刷直流电机教材中关于磁路、磁导率、气隙饱和、去磁曲线等基础知识是设计电机的人需要看的，对仅以电机控制为研究目标的人来讲意义不大。对于入门者，首先记牢三个基本定则：左手定则、右手定则、右手螺旋定则。
一、无刷直流电机的基本结构
1、定子
（1）定子铁芯：硅钢片叠压而成，内圆表面开有槽，用于布置定子绕组。
（2）定子绕组：若干线圈。

2、转子：永磁体
（1）外转子型
（2）内转子型

二、内转子型无刷直流电机的工作原理
1、两相两极无刷直流电机的工作原理（磁回路分析法）
（1）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内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，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。

（2）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，转子力臂为0。虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性，还会继续顺时针转动。这时若改变两头螺线管的电流方向，转子就会继续顺时针向前转动。

（3）如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停地转起来了。改变电流方向的这一动作，称为换相。何时换相只与转子的位置有关，而与转子的速度无关。
（4）以上是最简单的**两相两极无刷直流电机的工作原理，仅仅用来说明概念用。**从严格意义上来说，并不是传统的经典的工业用的无刷直流电机结构，而是属于开关磁阻电机结构的变种（原始的开关磁阻电机的转子上没有永磁体）。

2、三相两极无刷直流电机的工作原理
（1）无刷直流电机定子的三相绕组有星形联结方式和三角形联结方式，其中“三相星形联结的二二导通方式”最为常用，故这里只对这种情况作详细分析。
（2）如图7所示，为定子三相绕组星形联结方式的具体接线图（转子未画出），整个电机就引出三根线A、B、C。当它们之间两两通电时，有六种情况，分别是AB、AC、BC、BA、CA、CB。

（3）如图8所示，分别描述了这六种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度的方向（红、蓝箭头表示）和两个线圈的合成磁感应强度方向（绿色箭头表示）。
（4）如图9所示，当AB相通电，C相不通电
A相定子线圈产生的磁感应强度方向如红色箭头所示；
B相定子线圈产生的磁感应强度方向如蓝色箭头所示；
A相和B相定子线圈合成的磁感应强度方向如绿色箭头所示；
当AB相通电，中间的转子会尽量往绿色箭头方向对齐（中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致）。

（5）当转子到达图8（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8（b）图中绿色箭头处对齐，再往后以此类推。
（6）当外线圈完成六次换相后，内转子正好旋转一周（即360°）
3、三相多极无刷直流电机的工作原理
（1）一般而言，无刷直流电机的绕组数量和永磁极的数量是不一致的（比如有九绕组六极，而不是六绕组六极）。这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸而对齐，产生类似步进电机的效果，此种情况下转矩会产生很大波动。

（2）三相六极无刷直流电机工作原理的分析方法与三相二极类似，原则是转子的N极与通电绕组的S极有对齐的运动趋势，而转子的S极与通电绕组的N极有对齐的运动趋势。

三、外转子型无刷直流电机的工作原理
1、外转子型和内转子型的区别在于，外转子型电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片，贴到了外壳上。无刷直流电机运行时，是整个外壳在转，而中间的定子线圈不动。
2、外转子型较内转子型来说，转子的转动惯量要大很多，因为转子的主要质量都集中在外壳上，所以转速较内转子电机要慢。
3、外转子型无刷直流电机工作原理的分析方法与内转子型类似，原则是转子的N极与通电绕组的S极有对齐的运动趋势，而转子的S极与通电绕组的N极有对齐的运动趋势。

四、无刷直流电机换相操作的实现（以星形联结二二导通方式为例）
通过控制电机电子换相电路T1~T6六个开关管的开关顺序，来调整电机定子线圈的通电顺序，以实现电机的换相操作，使电机运转起来。

1、无刷直流电机换相电路
（1）换相电路也称逆变电路，通过控制六个开关管的开关顺序，可实现不同绕组加电，完成六步换相要求。
（2）T1~T6为功率开关器件，此开关器件在低压电机电路中多采用MOSFET器件；在高压电机（大于100V）电路中多采用IGBT器件。
（3）任意时刻不能上下管同时导通，即T1和T2不能同时导通，T3和T4不能同时导通，T5和T6不能同时导通.

2、无刷直流电机换相控制方式（二二导通方式）
（1）二二导通方式是每次使两个开关管同时导通。
（2）以图15为例，其导通顺序有：T1、T4→T1、T6→T3、T6→T3、T2→T5、T2→T5、T4。
（3）当T1、T4导通，电流流通的方向为：电源（+）→T1→A相绕组→B相绕组→T4→地。

总结：无刷直流电机的工作原理
1、无刷直流电机要转动，须先根据转子位置传感器的输出信号确定转子位置。
2、然后通过电子换相线路去驱动电机本体使电枢绕组（定子绕组）依次馈电。
3、从而在定子上产生旋转的磁场，驱动永磁转子转动。

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