无刷直流电机工作原理详解.pdf

日期 : 2014-05-28 / 作者 : admin / 分类 : 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称 BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工 业自动化等装置和仪表。顾名思义， BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中 BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外， BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC 结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以 BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。 BLDC中又有单相、 2 相和 3 相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的 3 相 BLDC。 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图。从传统意义上讲， BLDC的定子和感应电机的定子有 点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的 BLDC定子有 3 个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。 BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加 EMF一节） 不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图和图 所示。 另外还需要对反电动势的一点说明就是绕组的不同其相电流也是呈现梯形和正弦波形，可想而知正弦绕组由于波形平滑所以运行起来相对梯形绕组来说就更平 稳一些。但是，正弦型绕组由于有更多绕组使得其在铜线的使用上就相对梯形绕组要多（？）。平时由于应用电压的不同，我们可以根据需要选择不同电压范 围的无刷电机。 48V及其以下应用电压的电机可以用在汽车、机器人、小型机械臂等方面。 100V 及其以上电压范围的电机可以用在专用器具、自动控制以及工 业生产领域。 转子 定子是 2 至 8 对永磁体按照 N 极和 S 极交替排列在转子周围构成的（内转子型），如果是外转子型 BLDC那么就是贴在转子内壁咯。如图所示； 霍尔传感器 与有刷直流电机不同，无刷直流电机使用电子方式换向。要使 BLDC转起来，必须要按照一定的顺序给定子通电，那么我们就需要知道转子的位置以便按照通电 次序给相应的定子线圈通电。定子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。通常会安排 3 个霍尔传感器在转子的旋转路径周围。无论何时，只要转子的磁 极掠过霍尔元件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，这样只要根据 3 个霍尔元件产生的电平的时序就可以判断当前转子的位置， 并相应的对定子绕组进行通电。霍尔效应：当通电导体处于磁场中，由于磁场的作用力使得导体内的电荷会向导体的一侧聚集，当薄平板通电导体处于磁场中 时这种效应更为明显，这样一侧聚集了电荷的导体会抵消磁场的这种影响，由于电荷在导体一侧的聚集，从而使得导体两侧产生电压，这种现象就称为霍尔效 应，霍尔在 1879年发现了这一现象，故以此命名。 图显示了 NS磁极交替排列的转子的横截面。霍尔元件安放在电机的固定位置，将霍尔元件安放到电机的定子是比较复杂的，因为如果安放时位置没有和转子的 磁场相切那么就可能导致霍尔元件的测量值不能准确的反应转子当前的位置，鉴于以上原因，为了简化霍尔元件的安装，通常在电机的转子上安装一颗冗余的 磁体，这个磁体专门用来感应霍尔元件，这样就能起到和转子磁体感应的相同效果，霍尔元件一般按照圆周安放在印刷电路板上并配备了调节盖，这样用户就 可以根据磁场的方向非常方便的调节霍尔元件的位置以便使它工作在最佳状态。霍尔元件位置的安排上，有 60°夹角和 120°夹角两种。基于这种摆放形式， BLDC的电流换向顺序由制造厂商制定，当我们控制电机的时候就需要用到这种换向顺