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摘 要：无刷直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，因此使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点，是他一经出现就以极快的的速度发展和普及。本文详细分析了三相直流无刷电机的结构和工作原理。
关键词：无刷直流电动机 ，结构，原理。
一、 无刷直流电动机结构
1. 机体机构
无刷直流电动机的转子是由永磁材料制成的、具有一定的磁极对数的永磁体。与永磁同步伺服电机非常类似，转子的结构分为两种：第一种是将瓦片状的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芯中，称为嵌入式，如图1.1。但与永磁同步电动机的转子有所区别，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（瓦片状），磁极下定转子气隙均匀，呈梯形分布。定子上有电枢，这一点与永磁有刷直流电动机正好相反，永磁有刷直流电动机的电枢装在定子上。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。各项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。
无刷直流电动机的工作离不开电子开关电路，因此由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成了无刷直流电动机控制系统。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动的控制了通电，那些绕组断电，实现了电子换向。
2. 无刷直流电动机的控制系统结构
无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和逆变器电路三部分组成。无刷电机的转子一般为含有稀土的永磁体，当定子一相绕组通电，该相绕组产生的磁场与定子磁场产生力作用，驱动定子转动。由转子位置传感器把转子的位置信号反馈给控制器或电子开关线路，控制器或开关线路控制定子绕组按照一定次序导通，来产生旋转的磁场驱动转子连续旋转。由于电子开关线路的导通次序和转子转角是同步的，所以电子开关线路就起到了与机械换相器类似的控制作用。因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。
3. 逆变器
直流无刷电动机的逆变器用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成.功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子上的各相绕组，以使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但是位置传感器的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。逆变器主电路有桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与逆变器的联结形式多种多样，但应用最广泛的是三相星型六状态和三相星型三状态。早期的直流无刷电动机的逆变器多由晶闸管组成，由于其关断要借助反电动势或电流过零，造成换流困难，而且晶闸管开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型电力电子器件的发展，现在的逆变器在大功率、低频率时多由GTO、GTR器件组成，在中小功率的电动机中逆变器多由功率MOSFET 或IGBT构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。
4. 转子位置传感器
转子位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换为电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器的种类很多，且各具特点。目前，在直流无刷电动机中常用的位置传感器有以下几种类型：
1.电磁式位置传感器
电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，主要有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型，在直流无刷电动机中，用的最多的是开口变压器。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、结构简单和紧凑等优点。但是这种传感器的信噪比比较低，体积较大，同时输出信号为交流，一般需要整流、滤波以后才能使用。
2.光电式位置传感器
这种传感器是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。光电式位置传感器的性能比较稳定，但存在光源灯泡寿命短、使用要求较高等缺陷，若采用新型光电元件，可克服这些不足之处。
3.磁敏式位置传感器
磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按照一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。本直流无刷电机系统使用的就是霍尔集成电路。
除了上述三大类位置传感器外，还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器。但是，这些元件成本较高，体积较大，而且所配电路复杂，因而在一般的直流无刷电动机中很少采用。
二、无刷直流电动机的工作原理
下面说明直流无刷电机的运行原理和特点。此处主要说明的三相全控桥两两导通原理。所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每个1/6周期（60度电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管导通120度电角度。各功率管的导通顺序是V1V6，V6V3，V3V2，V2V5，V5V4，V4V1。当功率管V1V6导通时，电流从V1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经V6管回到电源.设Ta、Tb、Tc为三相绕组产生的力矩矢量，当电流从A相流入C相流出时，它们合成的转矩如图2.2所示，其大小为 T，方向在Ta和—Tc的角平分线上.当电动机转过60度之后，由VlV6通电换成V3V6通电。这时，电流从VF3流入B相绕组再从C相绕组流出，经V6管回到电源，此时合成转矩如图2.2b所示，其大小同样为 T。但合成转矩T的方向转过了60电角度。而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过60度，但大小始终保持 T不变。
所以，同样一台直流无刷电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星型连接全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了万倍；每隔60换相一次，每个功率管通电120度，每个绕组通电240度，其中正向通电和反向通电各120度。为了增大电机转矩，可以采用三三通电的控制方式，分析方法与上面类似。
参考文献：
[1]王晓明 王玲.电动机的DSP控制[M].北京：北京航天航空大學出版社.2004.229-265
[2]王益全.电动机原理与实用技术[M].北京：科学出版社.2005.222-225
关键词：无刷直流电动机 ，结构，原理。
一、 无刷直流电动机结构
1. 机体机构
无刷直流电动机的转子是由永磁材料制成的、具有一定的磁极对数的永磁体。与永磁同步伺服电机非常类似，转子的结构分为两种：第一种是将瓦片状的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芯中，称为嵌入式，如图1.1。但与永磁同步电动机的转子有所区别，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（瓦片状），磁极下定转子气隙均匀，呈梯形分布。定子上有电枢，这一点与永磁有刷直流电动机正好相反，永磁有刷直流电动机的电枢装在定子上。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。各项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。
无刷直流电动机的工作离不开电子开关电路，因此由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成了无刷直流电动机控制系统。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动的控制了通电，那些绕组断电，实现了电子换向。
2. 无刷直流电动机的控制系统结构
无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和逆变器电路三部分组成。无刷电机的转子一般为含有稀土的永磁体，当定子一相绕组通电，该相绕组产生的磁场与定子磁场产生力作用，驱动定子转动。由转子位置传感器把转子的位置信号反馈给控制器或电子开关线路，控制器或开关线路控制定子绕组按照一定次序导通，来产生旋转的磁场驱动转子连续旋转。由于电子开关线路的导通次序和转子转角是同步的，所以电子开关线路就起到了与机械换相器类似的控制作用。因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。
3. 逆变器
直流无刷电动机的逆变器用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成.功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子上的各相绕组，以使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但是位置传感器的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。逆变器主电路有桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与逆变器的联结形式多种多样，但应用最广泛的是三相星型六状态和三相星型三状态。早期的直流无刷电动机的逆变器多由晶闸管组成，由于其关断要借助反电动势或电流过零，造成换流困难，而且晶闸管开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型电力电子器件的发展，现在的逆变器在大功率、低频率时多由GTO、GTR器件组成，在中小功率的电动机中逆变器多由功率MOSFET 或IGBT构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。
4. 转子位置传感器
转子位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换为电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器的种类很多，且各具特点。目前，在直流无刷电动机中常用的位置传感器有以下几种类型：
1.电磁式位置传感器
电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，主要有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型，在直流无刷电动机中，用的最多的是开口变压器。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、结构简单和紧凑等优点。但是这种传感器的信噪比比较低，体积较大，同时输出信号为交流，一般需要整流、滤波以后才能使用。
2.光电式位置传感器
这种传感器是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。光电式位置传感器的性能比较稳定，但存在光源灯泡寿命短、使用要求较高等缺陷，若采用新型光电元件，可克服这些不足之处。
3.磁敏式位置传感器
磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按照一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。本直流无刷电机系统使用的就是霍尔集成电路。
除了上述三大类位置传感器外，还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器。但是，这些元件成本较高，体积较大，而且所配电路复杂，因而在一般的直流无刷电动机中很少采用。
二、无刷直流电动机的工作原理
下面说明直流无刷电机的运行原理和特点。此处主要说明的三相全控桥两两导通原理。所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每个1/6周期（60度电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管导通120度电角度。各功率管的导通顺序是V1V6，V6V3，V3V2，V2V5，V5V4，V4V1。当功率管V1V6导通时，电流从V1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经V6管回到电源.设Ta、Tb、Tc为三相绕组产生的力矩矢量，当电流从A相流入C相流出时，它们合成的转矩如图2.2所示，其大小为 T，方向在Ta和—Tc的角平分线上.当电动机转过60度之后，由VlV6通电换成V3V6通电。这时，电流从VF3流入B相绕组再从C相绕组流出，经V6管回到电源，此时合成转矩如图2.2b所示，其大小同样为 T。但合成转矩T的方向转过了60电角度。而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过60度，但大小始终保持 T不变。
所以，同样一台直流无刷电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星型连接全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了万倍；每隔60换相一次，每个功率管通电120度，每个绕组通电240度，其中正向通电和反向通电各120度。为了增大电机转矩，可以采用三三通电的控制方式，分析方法与上面类似。
参考文献：
[1]王晓明 王玲.电动机的DSP控制[M].北京：北京航天航空大學出版社.2004.229-265
[2]王益全.电动机原理与实用技术[M].北京：科学出版社.2005.222-225