1、無刷直流電動機是一種通過電子開關線路實現換相的新型電子運行電機，由電動機本體、電子開關線路（功率電子逆變電路）、轉子位置傳感器和控制器等組成無刷直流電動機系統，其原理框圖如圖101所示。圖中直流電源通過電子開關線路向電動機定子繞組供電，電機轉子位置由位置傳感器檢測并送入控制器，在控制器中經過邏輯處理產生相應的換相信號，以一定的規律控制電子開關線路中的功率開關器件，使之導通或關斷，將電源順序分配給電動機定子的各相繞組，從而使電動機轉動。 無刷直流電動機的基本結構圖101無刷直流電動機系統原理框圖 圖 10 - 2 無刷直流電動機的基本結構 1電機本體結構無刷直流電動機本體,首先應滿足電磁方面的要

2、求，保證在工作氣隙中產生足夠的磁通，電樞繞組允許流過一定的電流，以便產生一定的電磁轉矩；其次，應滿足機械方面的要求，且結構簡單、運行可靠。電機本體由定子和轉子兩個主要部分構成，分內轉子和外轉子兩種型式。除導磁鐵心外，轉子上安放有用永磁材料制成的永磁體，形成一定極對數的轉子磁極。 圖103無刷直流電動機內轉子結構型式（a）面貼式；（b）內嵌式；（c）整體粘結式 定子是電機本體的靜止部分，稱為電樞，主要由導磁的定子鐵心和導電的電樞繞組組成。定子鐵心用硅鋼片疊成以減少鐵心損耗，同時為減少渦流損耗，在硅鋼片表面涂絕緣漆，將硅鋼片沖成帶有齒槽的沖片，槽數根據繞組的相數和極數來定。常用的定子鐵心結構有兩種

3、，一種為分數槽(每極每相槽數為分數)集中繞組結構，其類似于傳統直流電機定子磁極的大齒（凸極）結構，凸極上繞有集中繞組，有時在大齒表面開有多個小齒以減小齒槽轉矩，定子大、小齒結構如圖104所示；另一種與普通的同步電動機或感應電動機類似，在疊裝好的鐵心槽內嵌放跨接式的集中或分布繞組，其線圈可以是整距也可以是短距，為減少齒槽轉矩和噪音，定子鐵心有時采用斜槽。 圖104定子大小齒結構定子鐵心中放置對稱的多相（三相、四相或五相）電樞繞組，對稱多相電樞繞組接成星形或封閉形（角形），各相繞組分別與電子開關線路中的相應功率開關管相連。當電動機經功率開關電路接上電源后，電流流入繞組，產生磁場，該磁場與轉子磁場相

4、互作用而產生電磁轉矩，電動機帶動負載旋轉。電動機轉動起來后，便在繞組中產生反電動勢，吸收一定的電功率并通過轉子輸出一定的機械功率，從而將電能轉換為機械能。要求繞組能流過一定的電流，產生足夠的磁場并得到足夠的轉矩。 2位置傳感器轉子磁場相對于定子繞組位置的檢測是無刷直流電動機運行的關鍵，對這一位置檢測的直接方法就是采用位置傳感器，將轉子磁極的位置信號轉換成電信號。正余弦旋轉變壓器或者編碼器也可用作位置傳感器，但成本較高，僅用在精密控制場合。此外，還有利用容易檢測的電量信號來間接判斷轉子磁極位置的方案，其中最具代表性的是電動機定子繞組的反電動勢過零檢測法或者稱為端電壓比較法(詳見10.6節)。本節

5、將簡單介紹電磁式、光電式和霍爾元件式等三種常用位置傳感器的結構和原理。 1.電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器是利用電磁感應原理來工作的，由定子和轉子兩部分組成，其結構如圖105所示。 圖105電磁式位置傳感器結構 (a)傳感器AA剖面圖；(b)傳感器端面圖 在圖105中，定子上有鐵心和線圈，鐵心的中間為圓柱體，安放勵磁繞組Wj，繞組外施高頻（一般為幾千赫茲到幾十千赫茲）電源勵磁；鐵心沿定子圓周有軸向凸出的極，極上套有信號線圈Wa、Wb和Wc，以感應信號電壓。導磁扇形片放置在不導磁的鋁合金圓形基盤上制成轉子，固定在電動機的轉軸上，扇形片數等于電機極對數。由于勵磁電源的頻率高達幾千赫茲以上，因此定

6、子鐵心及轉子導磁扇形片均由高頻導磁材料（如軟磁鐵氧體）制成。可以看出，這實際上是有著共同勵磁線圈的幾個開口變壓器。當扇形導磁片隨著電動機轉子同步旋轉時，其與傳感器定子圓周凸極的相對位置發生變化，使開口變壓器磁路的磁阻變化，信號線圈匝鏈的磁通大小變化，可感應出不同幅值的電動勢，依此判斷轉子的位置。2. 光電式 光電式傳感器是由固定在定子上的幾個光電耦合開關和固定在轉子軸上的遮光盤所組成， 如圖10 - 6所示。 遮光盤上按要求開出光槽(孔)， 幾個光電耦合開關沿著圓周均布， 每只光電耦合開關是由相互對著的紅外發光二極管(或激光器)和光電管(光電二極管， 三極管或光電池)所組成。 紅外發光二極管(

7、或激光器)通上電后， 發出紅外光(或激光)； 當遮光盤隨著轉軸轉動時， 光線依次通過光槽(孔)， 使對著的光電管導通， 相應地產生反應轉子相對定子位置的電信號， 經放大后去控制功率晶體管， 使相應的定子繞組切換電流。 光電式位置傳感器是利用光電效應而工作的，由固定在定子上的數個光電耦合開關和固定在轉子軸上的遮光盤所組成，如圖106所示。遮光盤上開有透光槽（孔），其數目等于電動機轉子磁極的極對數，且有一定的跨度。光電耦合開關沿圓周均勻分布，每只均由軸向相對的紅外發光二極管和光電管（光電二極管或三極管）所組成。使用時，紅外發光二極管通電發出紅外光，當遮光盤隨著轉軸轉動時，光線依次通過光槽，使對著的

8、光電管導通，產生反應轉子相對定子位置的電信號。光電式位置傳感器性能較穩定，輸出的是直流電信號，無需再進行整流。但其本身產生的電信號一般比較弱，需要放大。 圖 10 - 6 光電式位置傳感器3.霍爾元件式位置傳感器霍爾元件式位置傳感器是利用半導體材料的霍爾效應產生輸出電壓的，它實際上是其電參數按一定規律隨周圍磁場變化的半導體磁敏元件。用霍爾半導體材料可制成長為l、寬為m、厚為d的六面體4端子元件，霍爾效應原理如圖107所示。 圖107霍爾效應原理 根據霍爾效應原理，如果在垂直于lm面沿厚度方向穿過磁場B，在垂直于md面沿l方向施加控制電流I，則在寬度為m的方向上會產生霍爾電動勢EH，可以表示為

9、(101) 式中,RH為霍爾系數，與材料的電阻率和遷移率有關；KH為靈敏度。霍爾電動勢的極性隨磁場B方向的變化而變化。 霍爾元件式位置傳感器也是由定子和轉子兩部分組成的。由于無刷直流電動機的轉子是永磁的，因此可以很方便地利用霍爾元件式位置傳感器檢測轉子的位置。圖108所示為霍爾無刷直流電動機原理圖，表示采用霍爾元件作為位置傳感器的四相無刷直流電動機的工作原理。 圖108霍爾無刷直流電動機原理圖 在圖108中，兩個霍爾元件H1和H2以間隔90的電角度安置于電機定子A和B相繞組的軸線上作為傳感器定子，并通以控制電流，電動機轉子磁極的永磁體兼作位置傳感器的轉子產生勵磁磁場。當電機轉子旋轉時，永磁體N

10、極和S極輪流通過霍爾元件H1和H2，因而產生對應轉子位置的兩個正的和兩個負的霍爾電動勢，經邏輯處理后去控制功率晶體管的導通和關斷，使4個定子繞組輪流切換電流。霍爾元件體積小、靈敏度高，但對環境和工作溫度有一定要求，且安置和定位不便，耐震差，易于損壞。霍爾元件所產生的電動勢很低，使用時需要進行放大。在實際應用中，是將霍爾元件與放大電路一起制作在同一塊集成塊上，構成霍爾集成元件，以方便使用。 3功率電子開關電路無刷直流電動機中功率電子開關電路多采用具有自關斷能力的全控器件，如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等，其中功率MOSFET和IGBT目前在應用中已占主導地位。主電路一般有橋式或半橋

11、式（非橋式）兩種，與電機電樞繞組的連接有不同的組合，功率電子開關電路如圖109所示。其中圖(a)和(b)是半橋式電路，其余的是橋式電路。 圖109功率電子開關電路 電樞繞組的相數和功率電子主電路連接方式不同，電機轉矩脈動及繞組利用率也不同。一般來說，相數越多，轉矩脈動越小；在相同相數下，橋式電路比半橋式電路轉矩脈動小，繞組利用率高。但是隨著相數的增多，開關電路中使用的器件也越多，成本也就越高。三相星形橋式電路采用兩兩導通方式工作，其繞組利用率較高，力矩波動小，因而得到廣泛應用。需要指出的是，無刷直流電動機控制系統中開關電路的工作頻率是由轉子的轉速決定的，是一種自控式逆變器。電機中相繞組的頻率和電機轉速始終保持同步，不會產生振蕩和失步。 4控制器控制器是無刷直流電動機正常運行