2021年图文讲解无刷直流电机的工作原理

*欧阳光明*创编 2021.03.07 图文讲解无刷直流电机的工作原理 欧阳光明（2021.03.07） 导读：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。 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。它的应用非常广泛，在很多机电一体化 设备上都有它的身影。 什么是无刷电机？ 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 *欧阳光明*创编 2021.03.07 *欧阳光明*创编 2021.03.07 会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永 磁体，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（NdFeB）材料。因此， 稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机 座号。 无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即 用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性 高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录 像机、电子仪器及自动化办公设备中。 无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等 组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电 流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位 置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电 路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压 由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。 位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。 采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件 （例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集 成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的 磁场变化。 采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一 定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极 *欧阳光明*创编 2021.03.07 *欧阳光明*创编 2021.03.07 管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器 件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。 采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安 装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路 等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产 生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。 看看这个工程师怎么说？ 首先给大家复习几个基础定则：左手定则、右手定则、右手螺 旋定则。别懵逼，我下面会给大家解释。 左手定则，这个是电机转动受力分析的基础，简单说就是磁场 中的载流导体，会受到力的作用。 让磁感线穿过手掌正面，手指方向为电流方向，大拇指方向为 产生磁力的方向，我相信喜欢玩模型的人都还有一定物理基础的哈 哈。 右手定则，这是产生感生电动势的基础，跟左手定则的相反， 磁场中的导体因受到力的牵引切割磁感线产生电动势。 让磁感线穿过掌心，大拇指方向为运动方向，手指方向为产生 的电动势方向。为什么要讲感生电动势呢？不知道大家有没有类似 的经历，把电机的三相线合在一起，用手去转动电机会发现阻力非 常大，这就是因为在转动电机过程中产生了感生电动势，从而产生 *欧阳光明*创编 2021.03.07 *欧阳光明*创编 2021.03.07 电流，磁场中电流流过导体又会产生和转动方向相反的力，大家就 会感觉转动有很大的阻力。不信可以试试。 三相线分开，电机可以轻松转动 三相线合并，电机转动阻力非常大 右手螺旋定则，用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方 向一致，那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的 N极。 这个定则是通电线圈判断极性的基础，红色箭头方向即为电流 方向。 看完了三大定则，我们接下来先看看电机转动的基本原理。 第一部分：直流电机模型 我们找到一个中学物理学过的直流电机的模型，通过磁回路分 析法来进行一个简单的分析。 状态 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感线方向与外磁感线方向保持一致，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。 *欧阳光明*创编 2021.03.07 *欧阳光明*创编 2021.03.07 当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩 最大。注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大。诚然，在转 子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，力臂为 0，当然也就不会转动了。补充一句，力矩是力 与力臂的乘积。其中一个为零，乘积就为零了。 当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由 于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流 方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动， 状态 2 如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来 了。改变电流方向的这一动作，就叫做换相。补充一句：何时换相 只与转子的位置有关，而与其他任何量无直接关系。 第二部分：三相二极内转子电机 一般来说，定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式， 而“三相星形联结的二二导通方式”最为常用，这里就用该模型来做 个简单分析。 上图显示了定子绕组的联结方式（转子未画出假想是个二极磁 铁），三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。 整个电机就引出三根线 A, B, C。当它们之间两两通电时，有 6种情 况，分别是 AB, AC, BC, BA, CA, CB注意这是有顺序的。 *欧阳光明*创编 2021.03.07 *欧阳光明*创编 2021.03.07 下面我看第一阶段：AB相通电 当 AB相通电，则 A极线圈产生的磁感线方向如红色箭头所 示，B极产生的磁感线方向如图蓝色箭头所示，那么产生的合力方 向即为绿色箭头所示，那么假设其中有一个二极磁铁，则根据“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”则 N极方向会与绿色箭头所示方向重合。至于 C，暂时没他什 么事。 第二阶段：AC相通电 第三阶段：BC相通电 第三阶段：BA相通电 为了节省篇幅，我们就不一一描述 CA\CB的模型，大家可以自 己类推一下。以下为中间磁铁（转子）的状态图： 每个过程转子旋转 60度 六个过程即完成了完整的转动，其中 6次换相。 第三部分：三相多绕组多极内转子电机 我们再来看一个复杂点的，图(a)是一个三相九绕组六极（三 对极）内转子电机，它的绕组连线方式见图 (b)。从图(b)可见，其 三相绕组也是在中间点连接在一起的，也属于星形联结方式。一般 而言，电机的绕组数量都和