無刷直流電機構成及工作原理

直流電機主要有直流有刷電機和無刷直流電機兩種，特別是無刷直流電機以其出色的工作特性在工業生產及日常生活中應用廣泛，本文對無刷直流電機構成及工作原理進行介紹。

無刷直流電機簡介

無刷直流電機(BLDC)以電子換向器取代了機械換向器，所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調速性能等特點，又具有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優點。

圖1.無刷直流電機模型

無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無)組成?？梢?，它和直流電機有著很多共同點，定子和轉子的結構差不多(原來的定子變為轉子，轉子變為定子)，繞組的連線也基本相同。但是，結構上它們有一個明顯的區別：無刷直流電機沒有直流電機中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機結構就相對簡單，降低了電機的制造和維護成本，但無刷直流電機不能自動換向(相)，犧牲的代價是電機控制器成本的提高(如同樣是三相直流電機，有刷直流電機的驅動橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機的驅動橋則需要 6 只功率管)。

圖1所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對極的無刷直流電機，它的定子在內，轉子在外。另一種無刷直流電機的結構和這種剛剛相反，它的定子在外，轉子在內，即定子是線圈繞組組成的機座，而轉子用永磁材料制造。

無刷直流電機有以下的特點：

● 無刷直流電機的外特性好，能夠在低速下輸出大轉矩，使得它可以提供大的起動轉矩；

● 無刷直流電機的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運行；

● 無刷直流電機的效率高、過載能力強，使得它在拖動系統中有出色的表現；

● 無刷直流電機的再生制動效果好，由于它的轉子是永磁材料，制動時電機可以進入發電機狀態；

● 無刷直流電機的體積小，功率密度高；

● 無刷直流電機無機械換向器，采用全封閉式結構，可以防止塵土進入電機內部，可靠性高；

● 無刷直流電機比異步電機的驅動控制簡單。

無刷直流電機的工作原理

無刷直流電機的定子是線圈繞組電樞，轉子是永磁體。如果只給電機通以固定的直流電流，則電機只能產生不變的磁場，電機不能轉動起來，只有實時檢測電機轉子的位置，再根據轉子的位置給電機的不同相通以對應的電流，使定子產生方向均勻變化的旋轉磁場，電機才可以跟著磁場轉動起來。

如圖2所示為無刷直流電機的轉動原理示意圖，為了方便描述，電機定子的線圈中心抽頭接電機電源 POWER，各相的端點接功率管，位置傳感器導通時使功率管的 G極接 12V，功率管導通，對應的相線圈被通電。由于三個位置傳感器隨著轉子的轉動，會依次導通，使得對應的相線圈也依次通電，從而定子產生的磁場方向也不斷地變化，電機轉子也跟著轉動起來，這就是無刷直流電機的基本轉動原理——檢測轉子的位置，依次給各相通電，使定子產生的磁場的方向連續均勻地變化。

圖2.無刷直流電機轉動原理示意圖

無刷直流電機的驅動方法

無刷直機電機的驅動方式按不同類別可分多種驅動方式，它們各有特點。

按驅動波形：

● 方波驅動，這種驅動方式實現方便，易于實現電機無位置傳感器控制；

● 正弦驅動，這種驅動方式可以改善電機運行效果，使輸出力矩均勻，但實現過程相對復雜。同時，這種方法又有SPWM 和 SVPWM(空間矢量PWM)兩種方式，SVPWM的效果好于SPWM。