无刷直流电动机1基本组成环节无刷直流电动机的基本结构见图4.pdfVIP

无刷直流电动机

1基本组成环节

无刷直流电动机的基本结构见图1-4。它主要由电动机本体、位置传感器和

电子开关电路三部分组成。无刷直流电动机的转子是由永磁材料制成的、具有一定

磁极对数的永磁体。转子的结构分为两种：第一种是将瓦片状的永磁体贴在转子外

表上，称为凸极式；另一种是将永磁体内嵌到转子铁心中，称为嵌入式。为了能产

生梯形波感应电动势，无刷直流电动机的转子磁钢的形状呈弧形（瓦片形），磁极

下定转子气隙均匀，气隙磁场呈梯形分布。定子上有电枢绕组，这一点与永磁有刷

直流电动机正好相反，无刷直流电动机的定子电枢绕组采用整距集中式绕组。绕组

的相数有二、三、四、五相，但应用最多的是三相和四相。各相绕组分别与外部的

电子开关电路相连，开关电路中的开关管受位置传感器的信号控制。

图1-4无刷直流电动机的结构原理图

图1-4中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关电路中相

应的功率开关器件连接，在图1-4中，A相、B相、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连接。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，去控制电子开关电

路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定

的次序换相。由于电子开关电路的导通次序是转子转角同步的，因而起到了机械换

向器的作用。

因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开

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”。其原理框

图如图1-5所示。

图1-5无刷直流电动机原理框图

2无刷直流电动机的工作原理

现在以三相Y型连接全控电路两两导通方式为例，说明无刷直流电动机的运

行原理，如图1-6

图1-6三相Y型连接全桥驱动电路

两两导通方式是指每一瞬间有两个功率开关导通，每隔1/6周期即60o电角

度，换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管导通120o电角度。各功率管

的导通顺序是T1T2-T2T3-T3T4-T4T5-T5T6-T6T1-T1T2-……。当功率管T1T2导通

时，电流从T1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经过T2管回到电源，如果认

定流入绕组的电流所产生的磁势为正，那么从绕组流出的电流所产生的磁势为负，

它们的合成磁势如图1-7(ａ)所示，其大小为

Ta，矢量方向在Ta和Tｃ的角平分线上。当电动机转过60o电角度后，由T1T2换

相为T2T3，这时，电流从T3管流入B相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电

源，此时合成磁势如图1-7(ｂ)所示，其大小同样为

Ta，但合成磁势矢量方向已经转过了60o电角度。而后每次换相一个功率管，合成

磁势矢量方向就转过60o电角度，但是大小始终保持

Ta不变。图1-7（c）示出了换相时合成磁势的方向。由此也可以看到，三相电流

两两导通方式所产生的合成磁势不是一个连续的旋转磁势，而是一个跳跃式的步进

磁势。

图1.7联结绕组两两导通时的合成转矩矢量图

由于定子合成磁势每隔1/6周期跳跃前进一步，在空间转过60o电角度过程

中，转子磁极上的永磁磁势却是随着转子连续转动的，这两个磁势之间平均速度

相等，保持“同步”，但是瞬时速度却是有差别的，因二者之间的相对位置

是时刻

有变化的，所以，它们相互作用下所产生的除了平均转矩外，还有脉动分

量。无

刷直流电动机在设计中应尽可能减少这一脉动分量。从控制角度来看，这个

脉动

分量和绕组开始导电瞬间合成磁势与转子磁势之间的相对位置有关，它决定

于开

关管触发导通的相位。

３无刷直流电动机的基本方程和动态数学模型

以三相Y形联结的无刷直流电动机为例，来分析无刷直流电动机的数学模

型，由于稀土永磁无刷直流方波电动机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦

的，因此采用d－q变换已不是有效的分析方法，通常直接利用电动机本身的相变

量来建立数学模型。

假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，则三相绕组的

电压平衡方程式可表示为：

(1.1)

式中：ua、u