直流无刷电动机原理及设计

 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。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

图2为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管V1、V2和V3构成功率逻辑单元。

图2 三相直流无刷电动机

三只光电器件VP1、VP2和VP3的安装位置各相差120度，均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使从光源射来的光线一次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。

图3 开关顺序及定子磁场旋转示意图

图2所示的转子位置和图3 a）所示的位置相对应。由于此时广电器件VP1被光照射，从而使功率晶体V1呈导通状态，电流流入绕组A-A’，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图3中箭头方向转动。当转子磁极转到图3 b）所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转动，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管V1截至，晶体管V2导通，电流从绕组A-A’断开而流入绕组B-B’，使得转子磁极继续朝箭头方向转动。当转子磁极转到图3 c）所示的位置时，此时旋转遮光板已经遮住VP2，使VP3被光照射，导致晶体管V2截至、晶体管V3导通，因而电流流入绕组C-C’，于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转并回到图3 a）的位置。

这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器VP1、VP2、VP3的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在360度电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120度电角度。各相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图3所示。图3a）为第一种状态，Fa为绕组A-A’通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用，使转子沿顺时针方向旋转；转过120度电角度后，便进入第二状态，这时绕组A-A’断电，而B-B’随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了120度，如图3 b）所示，电动机定子继续沿顺时针方向旋转；再转120度电角度，便进入第三状态，这时绕组B-B’断电，C-C’通电，定子绕组所产生的磁场又转过了120度电角度，如图3 c）所示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过120度电角度后就恢复到初始状态。图4示出了各相绕组的导通顺序的示意图。

图4 各相绕组的导通示意图

位置传感器

位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器。

电磁式位置传感器在直流无刷电动机中，用得较多的是开口变压器。用于三相直流无刷电动机的开口变压器由定子和跟踪转子两部分组成。定子一般有六个极，它们之间的间隔分别为60度，其中三个极上绕一次绕组，并相互串联后通以高频电源，另外三个极分别绕上二次绕组WA、WB、WC。它们之间分别相隔120度。跟踪转子是一个用非导磁材料做成的圆柱体，并在它上面镶一块120度的扇形导磁材料。在安装时将它与电动机转轴相联，其位置对应于某一磁极。一次绕组所产生的高频磁通通过跟踪转子上的到此材料耦合到二次绕组上，故在二次绕组上产生感应电压，而另外两相二次绕组由于无耦合回路同一次绕组相联，其感应电压基本为零。随着电动机转子的转动，扇形片也跟着旋转，使之离开当前耦合一次绕组而向下一个一次绕组靠近。就这样，随着电动机转子运动，在开口变压器二次绕组上分别感应出电压。扇形导磁片的角度一般略大于120度电角度，常采用130度电角度左右。在三相全控电路中，为了换相译码器的需要，扇形导磁片的角度为180度电角度。同时，扇形导磁片的个数应同直流无刷电动机的极对数相等。

接近开关式位置传感器主要由谐振电路及扇形金属转子两部分组成，当扇形金属转子接近震 荡回路电感L时，使该电路的Q值下降，导致电路正反馈不足而停振，故输出为零。扇形金属转子离开电感元件L时，电路的Q值开始上升，电路又重新起振，输出高频调制信号，经二极管检波后，取出有用控制信号，去控制逻辑开关电路，以保证电动机正确换向。

光电式位置传感器前面已经讲过，是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。

磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。

研究结果表明，在半导体薄片上产生的霍尔电动势E可用下式表示：
     
式中RH ——霍尔系数（ ）；