无刷直流永磁电动机工作原理

ID:128229 · 发表于 2016-6-29 22:58

二相导通星形三相六状态无刷直流永磁电动机工作原理

Brushless Direct Current Permanent

Magnet Motor Principle

直流电动机运行效率高、调速性能好，直流永磁电动机又有节能的优点，但电机中的电刷换向器存在火花、无线电干扰、噪声，因磨损而寿命短，使直流电动机的应用受到很大限制。近年来功率电子器件的迅速发展使得采用电子开关代替换向器成为现实，无刷直流永磁电动机才得以迅速发展。

有电刷直流永磁电动机工作原理还是基于通电导体在磁场中受力的原理，而无刷直流永磁电动机的工作原理则不同，是靠定子磁场与转子磁场间的作用力拉动转子转动的。定子的基本结构类似交流三相电机，三个线圈绕组由电子开关元件按规律接通直流电源形成旋转磁场，从而拉动转子旋转。

ABC三组线圈的连接方式也与交流电机的三相线圈一样，有星形接法与三角形接法，图1下左是星形接法，图1下右是三角形接法。

图1 星形接法与三角形接法

星形接法在无刷直流永磁电动机应用较多，图2是星形接法线圈与电子换向器的连接图，由换向器中六个开关晶体管BG1至BG6组成的桥式电路切换通过ABC三个线圈的电流。例如BG1与BG5导通时电流从A线圈流进B线圈流出；如果BG2与BG4与BG6导通时电流从B线圈流进从A线圈与C线圈并联流出。每个开关晶体管旁并联有续流二极管为开关晶体管关断时提供续流通路。

图2 电子换向器电路示意图

我们通过一个实际的结构模型来展示三个线圈电流的切换顺序，这是一个典型结构，模型由六槽结构的定子与两极永磁转子组成，图3是六槽定子示意图，定子内圆周有六个嵌线槽。

图3 六槽定子铁芯

在嵌线槽内嵌有ABC三个线圈，三个线圈按星形连接，图4是嵌有线圈的定子示意图。

图4 三个线圈嵌线图

转子由永磁体构成，可在定子内自由旋转，见图5。

图5 定子与永磁转子

用该模型的正视图来表演线圈磁场的切换与转子跟随转动的过程，在图中用两根平行的箭头来表示线圈产生磁场的方向，以此图作动画，见图6。

图6 定子线圈与转子磁场

根据图2的星形接法线圈与电子换向器的连接图与下面动画的截图来说明开关晶体管是如何控制产生旋转的磁场，图中标注的“红色A+、B+、C+”表示相应线圈与电源正极接通，“蓝色A-、B-、C-”表示相应线圈与电源负极接通。

当开关管BG1与BG5导通时，电流由A组线圈进B组线圈出，两个线圈形成的合成磁场方向向上，规定此时的磁场方向为0度、转子旋转角度为0，见图7左。

当开关管BG1与BG6导通时，电流由A组线圈进C组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到60度，转子也随之转到60度，见图7右。

图7 无刷直流永磁电动机原理图-1

当转子转到60度时，开关管BG2与BG6导通时，电流由B组线圈进C组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到120度，转子也随之转到120度，见图8左。

当转子转到120度时，开关管BG2与BG4导通时，电流由B组线圈进4组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到180度，转子也随之转到180度，见图8右。

图8 无刷直流永磁电动机原理图-2

当转子转到180度时，开关管BG3与BG4导通时，电流由C组线圈进A组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到240度，转子也随之转到240度，见图9左。

当转子转到240度时，开关管BG3与BG5导通时，电流由C组线圈进B组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到300度，转子也随之转到300度，见图9右。

图9 无刷直流永磁电动机原理图-3

当转子转到300度时，将回到初始状态，开关管BG1与BG5导通，电流由A组线圈进B组线圈出，磁场方向转回0度，转子也转回0度，完成一周旋转，见图7左。

如果需要电动机反转，将以上一周的六个开关状态顺序反过来执行即可，当然开始反转的开关状态必须与正转结束时的开关状态相衔接，而且要有缓冲时间。

以上控制方式在任何时间都是两相线圈导通，一周内有六种状态，故称之为“二相导通星形三相六状态”，是一种常用的控制方式。

在后面我们可通过动画更直观的看到转子随磁场转动的过程。

控制器是如何知道转子转到该切换的位置呢，这就靠转子位置检测装置，目前主要采用光电器件或霍尔元件进行位置检测。在此我们介绍一下光电传感元件，图10是光电开关元件，左边是透射式光电开关，右边是反射式光电开关，都是由发光二极管与光敏三极管组成，一般封装在一个模块里。

在透射式光电开关里，发光二极管发出的光线照到光敏三极管使之导通，当有物体在两者之间隔断光线时光敏三极管截止，这样就可以检测到通过光电开关的物体了。

在反射式光电开关里，发光二极管发出的光线经物体反射到光敏三极管使之导通，没有物体在附近时光敏三极管截止，这样就可以检测到经过光电开关旁的物体了。

图10 光电开关元件

本模型采用透射式光电开关元件，三个光电开关元件依转轴为轴线按120度排列，在转轴上固定一个半圆形的遮光板，见图11，当转轴转动时遮光板将断续切断光电开关的光线，光电开关便输出开关信号，光电开关元件与遮光板组成转子位置检测装置。准确安装位置检测装置可实现在一周内准确发出六段控制信号，使控制器准确切换各线圈的电流，使电动机顺畅的旋转。

图11 转子位置检测装置

近年来流行无位置检测装置的无刷直流永磁电动机，可使电机结构更简单，运行更可靠，一般是通过以下方法来获取转子的位置信号：利用线圈产生的反电动势变化来获取转子的位置信号；通过检测导通线圈的续流二极管状态来获取转子的位置信号；还有其他方法。相关内容请参阅有关资料。

图12是六槽无刷直流永磁电动机模型的结构示意图。

图12 六槽无刷直流永磁电动机模型

二相三相轮流导通星形三相十二状态

无刷直流永磁电动机工作原理

6-Pole Brushless Direct Current

Permanent Magnet Motor

在“二相导通星形三相六状态无刷直流永磁电动机工作原理”一节中介绍了无刷永磁电动机一周六状态的工作流程，本节将介绍另一种结构与另一种工作状态的模型。

模型仍然采用星形连接的ABC三组线圈进行励磁，图1是星形接法线圈与电子换向器的连接图，由换向器中六个开关晶体管BG1至BG6组成的桥式电路切换通过ABC三个线圈的电流。例如BG1与BG5导通时电流从A线圈流进B线圈流出；如果BG2与BG4与BG6导通时电流从B线圈流进从A线圈与C线圈并联流出。

图1 电子换向器电路原理图

新的模型由一个六凸极结构的内定子与两极永磁外转子组成，我们将通过这个模型来展示三个线圈电流的切换顺序，图2是六凸极结构的内定子。

图2 六凸极结构内定子

图3是凸极上绕上励磁线圈的定子，线圈的绕向见图5

图3 六凸极内定子励磁绕组

在定子外周有外转子，外转子有一对永磁体磁极，粘贴在外转子磁軛上，外转子可在定子外周自由旋转，见图4

图4 内定子与外转子

图5是该模型的正视图，用来表演线圈磁场的切换与转子跟随转动的过程，在六个凸极上绕有线圈，由径向相对的凸极线圈组成一个线圈组，图中黄色的是A组线圈、绿色的是B组线圈、红色的是C组线圈，三个线圈组按星形连接，标有ABC三个字母的是三个线圈的输入端。在外转子磁軛内贴有圆弧状永磁体磁极，蓝色的是N极朝轴心、红色的是S极朝轴心。图5右边是内定子磁场方向箭头，在下面的磁场随开关切换流程图中将附在内定子上旋转，代表定子产生的磁场方向。以此图作动画来演示线圈磁场的切换与转子跟随转动的过程。

图5 内定子线圈与磁场示意图

根据图1的星形接法线圈与电子换向器的连接图与下面动画的截图来说明开关晶体管是如何控制产生旋转的磁场，图中标注的“红色A+、B+、C+”表示相应线圈与电源正极接通，“蓝色A-、B-、C-”表示相应线圈与电源负极接通。

当开关管BG1、BG5、BG6导通时，电流由A组线圈进B组、C组线圈出，形成的磁场方向向下，规定此时的磁场方向为0度、转子旋转角度为0，见图6左。

当开关管BG1与BG5导通时，电流由A组线圈进B组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到30度，转子也随之转到30度，见图6中。

当转子转到30度时，开关管BG1、BG3、BG5导通时，电流由A组与C组线圈进B组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到60度，转子也随之转到60度，见图6右。

图6 定子磁场与转子转动图-1

当转子转到60度时，开关管BG3、BG5导通时，电流由C组线圈进B组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到90度，转子也随之转到90度，见图7左。

当转子转到90度时，开关管BG3、BG4、BG5导通时，电流由C组线圈进A组与B组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到120度，转子也随之转到120度，见图7中。

当转子转到120度时，开关管BG3、BG4导通时，电流由C组线圈进A组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到150度，转子也随之转到150度，见图7右。

图7 定子磁场与转子转动图-2

当转子转到150度时，开关管BG2、BG3、BG4导通时，电流由C组与B组线圈进A组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到180度，转子也随之转到180度，见图8左。

当转子转到180度时，开关管BG2、BG4导通时，电流由B组线圈进A组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到210度，转子也随之转到210度，见图8中。

当转子转到210度时，开关管BG2、BG6、BG4导通时，电流由B组线圈进A组与C组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到240度，转子也随之转到240度，见图8右。

图8 定子磁场与转子转动图-3

当转子转到240度时，开关管BG2、BG6导通时，电流由B组线圈进C组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到270度，转子也随之转到270度，见图9左。

当转子转到270度时，开关管BG1、BG2、BG6导通时，电流由B组与A组线圈进C组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到300度，转子也随之转到300度，见图9中。

当转子转到300度时，开关管BG1、BG6导通时，电流由A组线圈进C组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到330度，转子也随之转到330度，见图9右。

图9 定子磁场与转子转动图-4

当转子转到330度时，将回到初始状态，BG1、BG5、BG6导通，电流由A组线圈进B组、C组线圈出，磁场方向转回0度，转子也转回0度，完成一周旋转，见图6左。

以上控制方式是两相线圈与三相线圈轮流导通，一周内有十二种状态，故称之为“二相三相轮流导通星形三相十二状态”。

该模型的转子位置检测装置要用4个检测元件与编码盘才能提供12种状态，具体结构在此就不再介绍了。

外转子无刷直流永磁电动机

Brushless Direct Current Permanent

Magnet Motor Structure

在无刷永磁电动机原理一节中曾介绍一个具有六凸极的内定子与外转子的模型，这里介绍一个与真实电机相近的外转子直流无刷永磁电动机模型，采用有18个凸极的内定子，由冲制的硅钢片叠成，见下图。

18个凸极的内定子铁芯

为减轻重量节约材料，定子中心部分是空的，由内定子机架与转轴机座固定，见下图。

18个凸极的内定子

在定子凸极上绕有励磁线圈，用来产生旋转磁场。

有励磁绕组的凸极内定子

在定子机架上还安装有4个反射式光电开关元件（见下图），与转子外壳内安装的编码盘一同组成转子位置检测装置。

内定子上的光电开关元件

外转子由六片圆弧片状永磁体磁极组成，磁极采用强永磁材料制成，磁场方向为径向，相邻磁极磁场方向相反，三个磁极N极向内，三个磁极S极向内。磁极粘贴在机壳（上端盖）内圆周，机壳又是磁軛，提供转子磁路。在外转子内还安装有编码盘与定子上的反射式光电开关元件一同组成转子位置检测装置。下面是外转子的正视图与侧视图。