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永磁无刷直流电机的设计

摘要：永磁无刷直流电机是一种新型电机，其特点是不需要传统的机械电刷，因此在

家用电器等领域得到广泛运用。其简单结构、高可靠性和高效率使其备受青睐。

关键词：永磁无刷直流电机；设计

虽然其工作原理与传统的电磁式直流电机相似，但借助高性能的永磁材料和电子控制

技术，这种电机在单位体积内能提供较高的转矩，同时转矩惯性比较小，启动时的转矩也

很大，此外，其调速特性也相当优越。因此，在家用电器领域，永磁无刷直流电机得以广

泛应用。

1.永磁无刷直流电机的主要特点和应用

1.1永磁无刷直流电机的主要特点

(1)由于无电火花和磨损问题，永磁无刷直流电机拥有卓越的工作寿命和高度可靠

性。

(2)其低转动惯量和高转矩惯量比使其具有出色的响应速度。

(3)通过永磁体产生的气隙磁场，使得电机的效率和功率因数保持在高水平，且发热

主要分布在定子上，便于热量散发。

(4)虽然与有刷直流电机相比略微成本较高，但与异步电机相比，其控制性能卓越。

1.2永磁无刷直流电机的主要应用

目前，不断扩大的市场需求迅速推动了永磁无刷直流电机的蓬勃发展。自上世纪90

年代起，随着科技的不断进步，永磁材料的性能得到了显著提升。尤其以钕铁硼等第三代

永磁材料为代表，不仅在耐腐蚀性方面有了巨大突破，其在高温环境下的稳定性也得到了

显著提升，同时生产成本也在逐步降低。许多高校和制造单位都在永磁无刷直流电机的研

发中投入了大量资源，为其发展注入了新的活力。永磁无刷直流电机的功率范围广泛，从

毫瓦级到数十千瓦级不等，为用户提供了多样的选择。

2.无刷直流电机的结构及工作原理

2.1无刷直流电机的基本结构

无刷直流电机的基本组成结构包括电机本体、转子位置传感器和电子换相电路，具体

如图2.1所示。

图2.1永磁无刷直流电机系统的组成结构示意图

无刷直流电机的结构类似于永磁同步电机，其核心部分是电机本体，是实现机电能量

转换的核心。因此，其设计在确保整个系统可靠运行方面具有关键性作用。为了代替传统

的机械换相，位置传感器用来监测转子磁极的位置。传感器输出的位置信号会经过逻辑单

元处理，产生相应的开关信号。这些开关信号触发驱动控制电路中的功率开关元件，将直

流电能转化为机械能，从而产生输出转矩，实现电机的可靠运行。

2.2无刷直流电机的工作原理

在永磁无刷直流电动机的控制拓扑中，最常见且广泛应用的是星形三相半桥式和星形

三相桥式。三相全桥驱动方式以其高效率和卓越性能而著称，每相的通电时间占据2/3个

周期。相比之下，三相半控电路采用三相半桥，虽然结构简单，但电流仅能单向流动，每

个绕组只在1/3周期内通电，导致电能利用率较低、电流断续时间长、电流波动明显，从

而造成转矩波动较大。相对于三相半桥，三相全控电路具有双向电流流动的特点，每相的

通电时间占据2/3周期，电流断续时间短，从而转矩脉动较小，实现高效率运行。因此，

常常选择三相全控电路来驱动永磁无刷直流电机。然而，三相全控方式又分为二二导通和

三三导通两种，两者都在每个周期内换相6次。在二二导通情况下，每一瞬间有两个开关

管导通，每个管导通120°电角度。而在三三导通情况下，每一瞬间都有三个开关管导通，

每个管导通180°电角度。

图2.2三相半桥结构

图2.3三相全桥结构

在二二导通模式下，每个周期内单相绕组导通120度。在永磁无刷直流电机中，始终

有一个相绕组处于未导通状态，而其他两个相绕组则在经过PWM斩波控制后以高频率进

行切换操作。通过按照特定的导通顺序（如T1T6、T1T2、T3T2、T3T4、T5T4、T5T6

等）来操作，可以产生旋转磁场，从而使转子连续顺时针旋转。如果导通顺序颠倒，转子

则会逆时针旋转。这种导通顺序通常按照以下六个步骤进行：首先是A相和B相，接着是

A相和C相，然后是B相和C相。这个导通顺序会循环重复，因此也被称为六步导通法，

如图2.3所示。

在六步法状态运行下，永磁无刷直流电机理想的反电势波形及开关管的开通状态如图

2.4所示。

图2.4反电势波形图

3.永磁无刷直流电机的设计

3.1电机的基本参数

运用绿色额定电压310Ｖ，额定转矩0.3Ｎ·ｍ，额定转速1000ｒ/mi