第四节 无刷直流电动机

无刷直流电动机是随着电子技术迅速发展而出现的一种新型微特电机，它以电子换向装置代替了一般直流电动机的机械换向装置，因此保持了有刷直流电动机的优良控制特性，又克服了电刷机械摩擦引起的噪声、火花、无线电干扰和寿命短的致命弱点。

新型电力电子器件（如GTR、MOSFET、IGBT）的相继出现，以及高性能永磁材料（钐钴、铷铁硼）等的问世，使无刷电动机获得极其广泛的应用，它的功率范围从毫瓦级到千瓦级，速度从每分钟近于零转到数十万转，可以作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适合于高级电子设备、航空航天技术、数控装置、计算机外围设备、医疗化工等高新技术领域。

一、无刷直流电动机的基本结构

无刷直流电动机的基本结构框图如图2-18所示，是一台由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”，直流电源经由开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置经由位置传感器检测，产生的信号触发开关线路中的电力电子器件，使之导通或截止。电机定子各相逐次通电产生电流，并和转子磁极主磁场相互作用产生转矩，从而控制电动机的转动。

无刷直流电动机基本组成如图2-19所示，下面将介绍各部分的结构和功能。

1.电动机本体

无刷直流电动机基本结构如图2-20所示。电动机本体与永磁式同步电动机（或永磁步进电动机）相似，转子是由永磁材料制成一定极对数的永磁体，但不带笼型绕组或其他起动装置，主要结构形式有两种，如图2-21a、b所示。第一种结构是转子铁心外表面粘贴瓦片形磁钢，称为凸极式；第二种结构是磁钢插入转子铁心的沟槽中，称为内嵌式或隐极式。初期永磁材料多采用铁氧体或铝镍钴，现在已逐步采用高性能钐钴或铷铁硼。电枢绕组固定在定子铁心槽内，像交流电机的绕组一样，采用多相对称绕组，可接成开启式（星形）或封闭式（三角形），经由驱动器接到直流电源上。

2.转子位置传感器

转子位置传感器是一种无机械接触的检测装置，其作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置，由电子换向代替有刷电机的电刷和换向器。常见的转换方式有电磁转换、光电转换和磁敏转换。

（1）电磁式位置传感器

电磁式位置传感器是利用电磁效应实现其位置检测作用的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。

电磁式位置传感器原理示意图，如图2-22所示。它由定子和转子两部分组成。传感器定子磁心及传感器转子上的扇形部分均由高频导磁材料（如软磁铁氧体）制成。定子一般有6个极，它们之间的间隔分别为60°，其中3个为励磁极，外施高频电源励磁（一般的频率为几千赫到几十千赫），另外3个极分别绕上二次绕组W _U、W_V、W_W，之间分别相隔120°。这实际上是一个有共同励磁线圈的3个开口变压器，它们作为感应极，是传感器的输出端。位置传感器转子是一个用非磁性材料做成的圆柱体，它的上面镶着一块略大于120°的扇形导磁材料，并与主转子装在同一轴上制成了转子，其位置对应于某一个磁极。

当转子处在如图2-22所示的位置时，励磁极的高频磁通量通过转子扇形导磁材料耦合到感应极上的绕组W_V、并产生感应电压，该信号经过电子线路处理，变成与电动机定、转子位置相对应的换向信号。但是其他两个绕组W _U、W_W，因为非导磁材料的阻隔而不能形成磁路，感应电压为零。

电磁式传感器的结构种类很多，工作原理大体相同。由于开口变压器结构简单可靠，目前得到广泛的应用。扇形导磁片的角度一般略大于120°电角度，常用130°电角度。起动前不论导磁片在哪一个位置都能与1个或2个磁心齿耦合，因此能保证电动机正常起动而无死点。位置传感器中扇形导磁片的个数应同直流无刷电动机转子磁极的极对数相等。

（2）光电式位置传感器

这种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2-23所示。遮光盘开口的角度近似等于绕组导通角相对应的机械角度，且开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数。几个光电耦合开关沿着圆周均匀分布，每个光电耦合开关是由相互对应的红外发光二极管（或激光器）和光电晶体管所组成。红外发光二极管（或激光器）通电后发出红外光（或激光）；当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过遮光盘开口，使对着的光电晶体管导通，相应地产生反应转子相对定子位置的电信号，该信号经放大后去控制电力电子器件，使相应的定子绕组切换电流。

光电式位置传感器抗干扰能力强，工作温度范围目前可达到-55~100℃。光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱，需要经过放大才有驱动能力。但它的优点是直接输出直流电信号，不必再进行整流。

（3）磁敏式位置传感器

磁敏式位置传感器是采用磁敏传感器实现位置检测的，目前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，以霍尔元件为最常用。它们具有不同的特性，如图2-24所示。

图2-25是四相霍尔无刷直流电动机的原理图，由于无刷直流电动机的转子是永磁的，可以方便地利用霍尔元件的霍尔效应进行位置检测。图中两个霍尔元件H₁H₂以间隔90°电角度粘于电动机定子绕组AB的轴线上，并通控制电流，电动机转子磁钢兼作位置传感器的转子。当转子旋转时磁钢N极和S极轮流靠近H₁H₂，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，经放大后去控制功率放大电路，使4个定子绕组轮流切换电流。

霍尔元件的体积非常小，而且在大多数情况下可借助主电动机的转子作为传感器的转子，因此这类位置传感器的体积相当小。霍尔元件一般是线性输出的，本身所产生的电动势很低，应用时往往要外接放大器，目前已有多种线性型和开关型的霍尔集成电路可供选用。霍尔集成电路工作稳定、性能可靠，已经成为位置传感器中使用最广泛的器件，它的工作温度一般为-20~85℃，部分器件已达到-55~150℃，运行频率范围为0~100kHz。一般无刷直流电动机的位置传感器选用开关型。

霍尔无刷直流电动机结构简单、体积小，但安置和定位不便，对环境及工作温度有一定要求，其耐振性较差。

3.电子换向开关电路

电子换向开关电路中各功率器件分别与相应的各相定子绕组串联，各功率器件的导通与截止取决于位置传感器的信号。开关电路可分为桥式和非桥式两大类。非桥式开关电路所用的功率器件较少，用于开启式电枢绕组。绕组电路的导通状态可以是依次通电，也可以是多相同时通电，此时电枢合成磁场是由通电的多相磁场所合成。

二、无刷直流电动机的基本原理

图2-26为一台三相无刷直流电动机半控桥电路原理图。三只功率晶体管构成功率逻辑单元来驱动两极星形三相绕组，采用光电器件作为位置传感器，并经过信号处理放大后去控制开关电路功率晶体管的导通，使串联在晶体管的定子绕组与外电源接通。由于遮光盘与电动机转子同轴旋转，使得从光源射来的光线依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。

当电动机转子处于图2-26所示的位置时，此时光电器件VP₁被光照射，功率晶体管V₁呈导通状态，而V₂、V₃截止。电流流过主定子绕组U′-U，于是永磁主转子磁场与电枢磁场相互作用产生转矩，使转子的磁极按图2-27a中的箭头方向（顺时针方向）转动到图2-27b，并力图占据该绕组磁动势轴线的位置。随着电动机转子的转动，直接装在转子轴上的遮光盘跟着同步旋转，当电动机转过2π/3电角度使转子处于图2-27b所示的位置时，遮光盘遮住VP₁而使VP₂受光照射，从而使晶体管V₁截止、晶体管V₂导通，此时V₁、V₃截止，电流从绕组U-U′断开而流入绕组V′-V，使得转子磁极继续按顺时针方向旋转到图2-27c。

当转子在空间转过4π/3电角度后，位置传感器使晶体管V₃开始导通，V₁、V₂截止，相应电枢绕组W′-W有电流通过。电枢磁场与转子磁场相互作用仍使转子按顺时针方向旋转，如图2-27d所示。依次类推，通过位置传感器将重复上述的换流情况，如此循环下去，无刷直流电动机在电枢磁场与永磁转子磁场的相互作用下，主转子随着绕组导通的顺序而旋转，并带动遮光盘同时朝顺时针方向旋转。于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转，并重新回到图2-27b的位置。不难看出，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 °电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续2π/3电角度，这种通电方式称为一相导通星形三相三状态。每一晶体管导通时转子所转过的空间电角度称为导通角β，通常为了保证前后两个导通状态之间不出现间断，就需要有个短暂的重叠时间，必须使β_P略大于β_C。电枢磁场在空间保持某一状态时转子所转过的空间电角度，即定子上前后出现的两个不同磁场轴线间所夹的电角度称磁状态角或称状态角，用β_m表示。

三相星形非桥式无刷直流电动机各相绕组与位置传感器导通顺序的关系如图2-28所示。可以看出，由于一个磁状态对应一相导通，所以角β和角β_m都等于2π/3。当电动机是p对磁极时，位置传感器遮光盘应有p个均匀分布的开口，每个开口角度为β_P≥2π/（3p）。

三、无刷直流电动机正反转控制方法

在许多场合均要求电动机能够方便地实现正反转，永磁式有刷直流电动机的反转运行是由改变电枢两端与电源的极性连接（反接）来实现的。由于无刷直流电动机换向电路的电力电子器件具有单向导电性，不允许反接到电源上，因此不能简单地采用改变电源电压的极性实现电动机反转。反转的实现可采用下列方法。

1）将每组绕相两端头互换，变换绕组中电流的方向；

2）改变位置传感器的输出电压信号，采用正反转两套位置传感器，如果用霍尔元件作位置传感器，可将每片一对电流端两端互换或电动势端两端互换；

3）逻辑门选通方法，即电动机传感器设计上有专门的考虑，在控制电路用一逻辑信号（代表正反转状态）的指令改变电动机各相绕组的导通顺序。

上述方法的基本原理都是通过改变定子绕组磁动势和转子磁场的相对关系来改变旋转方向。图2-29a、图2-29b分别表示电枢绕组U相导通时电动机正、反转时的定、转子磁场相对位置，正反转时电枢电流方向不变，因而电枢磁动势的方向不变。在图2-29a所示的转子磁钢位置时，U相绕组导通，电流方向如图所示，在电磁转矩的作用下，转子将逆时针旋转。定子绕组通电顺序是U-V-W，但若如图2-29b所示，当转子转过180°以后，U相绕组才导通，这样产生的电磁转矩将驱使转子顺时针转动，定子绕组通电顺序变为U-W-V。因此，只要能得到在时间相位上相差180 °的驱动信号，去控制相应的绕组导通就能实现正反转。这个信号可以通过两套在空间错开180 °电角度的位置传感器获得，一套控制电动机正转，另一套控制电动机反转；也可以将正转信号通过电子线路进行一定的逻辑处理得到相差180 °电角度的反转信号。

无刷直流电动机的应用已遍及各个技术领域，其控制方法和运用方式也是多种多样，就运行原理而言，电动机的定子绕组相数是没有任何限制的，而且相数越多，电动机的性能越接近同类的有刷直流电动机。因此，定子绕组相数可在二相、三相、四相、五相、六相或更多相中选择；各相绕组的连接方式可以是星形的或封闭形的；每相绕组通电方式可以是单向的或双向的，分别称为单极性或双极性通电方式。对应的换向主电路是非桥式电路或桥式电路，由上述几种不同的安排，可以得到数十种不同的绕组连接方式和换向电路。理论分析和实践表明，五相及五相以上的绕组接法从经济上和技术性能方面来说都没有明显的优势，一般不采用，典型的常用绕组为三相和二相（四相）。