第7章无刷直流电动机
无刷直流电动机的工作原理
无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机是一种采用电子换向技术的直流电动机，其工作原理与传统的有刷直流电动机有很大的区别。
无刷直流电动机通过电子器件来实现换向，无需使用传统的机械换向器，因此具有结构简单、可靠性高、效率高等优点。
无刷直流电动机的工作原理主要涉及电磁感应、霍尔效应和电子换向等基本原理。
首先，无刷直流电动机中的转子由一组永磁体构成，它们产生的磁场与定子绕组中的电流相互作用，产生电磁力矩，驱动电机转动。
定子绕组中的电流由电源供应，可以通过调节电流的大小和方向来控制电动机的运动。
在无刷直流电动机中，换向是通过霍尔效应来实现的。
霍尔效应是指在磁场中通过一种特殊的半导体材料——霍尔元件，可以产生电压信号。
无刷直流电动机中的霍尔元件被安装在定子上，当转子旋转时，永磁体的磁场通过定子上的霍尔元件，产生电压信号。
根据电压信号的变化，控制器可以判断转子的位置，从而确定电机的转向和转速。
在无刷直流电动机中，电子换向器是实现电子换向的关键部件。
电子换向器是由一组功率晶体管和控制电路组成的，它可以根据霍尔元件输出的电压信号，控制功率晶体管的导通和截断，从而使定子绕组中的电流按照特定的顺序流过，实现电机的换向。
电子换向器的工作原理是将直流电源的电能转换成交流电能，以驱动电动机转动。
无刷直流电动机的工作原理可以通过以下简单的步骤来描述。
首先，当电机通电时，电源提供电流给定子绕组，产生磁场。
其次，转子中的永磁体受到定子磁场的作用，开始转动。
在转动过程中，霍尔元件不断感应转子的位置，将信号传递给电子换向器。
电子换向器根据霍尔元件的信号，控制定子绕组中的电流方向，使转子持续转动。
最后，通过不断重复以上步骤，无刷直流电动机可以实现稳定的转速和转向。
无刷直流电动机的工作原理使其具有许多优点。
首先，由于没有机械换向器，无刷直流电动机的结构更加简单，减少了故障和维护成本。
其次，无刷直流电动机的效率较高，能量转换更加充分，可以提高电机的工作效率。
无刷直流电机工作原理
无刷直流电机工作原理无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。
电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。
驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。
由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。
中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。
因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。
近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。
电枢绕组直流电机的电磁感应的关键部件之一为导电的绕组，因为重要，故称为电枢绕组。
电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。
电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定多电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。
此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。
大的分类为环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过，由于容易理解故讲原理时也用此类绕组；现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。
鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。
无刷直流电机的基本原理意法半导体的ST72141是专门用在无刷直流电机（B LDC）控制的单片机。
内部包含意法半导体自有的反电动势检测专利技术，专门用于电机控制的片内外设，大大减少了电机控制系统的成本，简化了电机控制系统的设计。
无刷直流电动机工作原理
无刷直流电动机工作原理
无刷直流电动机工作原理是基于电磁感应和电子技术的。
它主要由定子、转子和电子换向器三部分组成。
首先，定子由若干组电枢绕组沿轴向分布，相邻两组电枢绕组之间的间隙内填充着磁铁。
当电枢绕组通电时，在间隙内形成一个恒定的磁场。
其次，转子由永磁体组成，永磁体上的磁极数目与定子的电枢绕组数目相等。
当外部给定子电枢绕组通电后，定子磁场与转子磁场之间会产生相互作用。
由于转子永磁体磁极与定子电枢绕组的磁场相互作用，转子会受到磁场的作用力而开始旋转。
最后，电子换向器是无刷直流电动机的控制中心。
它通过电子技术来控制定子电枢绕组的通断，从而实现电流的方向和大小的变化。
具体来说，电子换向器根据转子位置和速度的反馈信号，通过控制定子电枢绕组的电流，以保持永磁体与电枢绕组之间的相对位置适当，从而保持电动机的正常工作。
总而言之，无刷直流电动机利用电磁感应和电子换向器的控制，实现了电能向机械能的转换，从而驱动电动机正常运转。
它具有高效、可靠、稳定等优点，在很多领域得到广泛应用。
无刷直流电动机的工作原理
无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机是一种新型的电动机，其工作原理与传统的直流电动机有所不同。
无刷直流电动机通过电子调速装置控制转子上的永磁体产生磁场，与定子上的绕组相互作用，从而产生转矩，实现电机的运转。
下面将详细介绍无刷直流电动机的工作原理。
无刷直流电动机的转子上安装有永磁体，这些永磁体产生磁场，而定子上则绕有绕组。
当电机通电时，电流通过定子绕组，产生磁场。
由于磁场的存在，转子上的永磁体受到磁力的作用，开始旋转。
在传统的直流电动机中，转子上的永磁体是由电刷与电枢绕组产生的磁场来驱动的，而无刷直流电动机中则是通过电子调速装置来控制转子上的永磁体产生磁场。
电子调速装置中包含了一个电子器件，它能够根据电机的运行状态来控制电流的方向和大小，从而控制永磁体的磁场。
无刷直流电动机的电子调速装置通过检测电机的转子位置和转速，来确定电流的方向和大小。
具体来说，电子调速装置中包含了一个位置传感器，用来检测转子的位置，以及一个速度传感器，用来检测电机的转速。
通过这些传感器提供的信息，电子调速装置能够准确地控制电流的方向和大小，从而精确地控制永磁体的磁场。
无刷直流电动机的工作原理可以简单地总结为：电子调速装置通过控制电流的方向和大小，来控制转子上的永磁体产生磁场，与定子上的绕组相互作用，从而产生转矩，实现电机的运转。
与传统的直流电动机相比，无刷直流电动机具有转速调节范围广、转速稳定、噪音低、寿命长等优点。
无刷直流电动机在现代工业中被广泛应用，特别是在需要精确控制转速和转矩的场合。
例如，无刷直流电动机常用于机床、自动化生产线、机器人等设备中。
此外，无刷直流电动机还被广泛应用于家用电器、电动汽车等领域。
无刷直流电动机通过电子调速装置控制转子上的永磁体产生磁场，与定子上的绕组相互作用，从而产生转矩，实现电机的运转。
无刷直流电动机具有转速调节范围广、转速稳定、噪音低、寿命长等优点，被广泛应用于各个领域。
通过不断的技术创新和研发，无刷直流电动机在未来的发展中有着广阔的前景。
无刷直流电机
学习任务1 无刷直流电机的基本结构
问题1：无刷直流电动机的基本结构是怎样的？
学习任务1 无刷直流电机的基本结构
问题1：无刷直流电动机的基本结构是怎样的？
永磁无刷直流电动机采用电力电子逆变 器完成直流到交流的转换，即由电子换 向取代有刷直流电动机的机械换向，由 于没有电刷和换向片，电枢电流的换流 时刻将由专门的转子位置传感器来检测， 由控制电路根据转子位置来决定电力电 子开关的导通与关断，由此也可见，永 磁无刷直流电动机的运行必须配备相应 的控制器。
请继续学习《模块八 开关磁阻电机》。
问题2：无刷直流电机的工作原理是怎样的？
无位置传感器无刷直流电机框图
学习任务3 无刷直流电机的控制技术
问题1：无刷直流电动机的调速系统是怎样的？
无刷直流电动机调速系统框图
学习任务3 无刷直流电机的控制技术
问题1：无刷直流电动机的调速系统是怎样的？ 1）调速换向原理分析
学习任务3 无刷直流电机的控制技术
当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则会产生方向指向右的外加磁感应强度B（如粗 箭头方向所示）而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致， 以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。
学习任务2 直流无刷电机的工作原理
问题1：无刷直流电机的换向原理是怎样的？
学习任务4 直流无刷电机的特点及应用
问题1：无刷直流电机的优点？ 无刷直流电动机转子采用永磁体，不需要励磁。优点为功率因数高、功率密度大、效率高．低 速转矩大，在低速时可以达到理论转矩输出，起动转矩可以达到额定转矩的两倍。高速性能良 好，转速不受电压与负载变化的影响，转速范围可以由几十转到十万转，转速控制精度高。在 电磁性能、磁场衰退等方面的性能都优于其他种类的电动机。无换向器和电刷、结构简单牢固、 尺寸和质量小、基本免维护。
无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机原理无刷直流电动机的工作原理普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。
为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。
无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。
为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。
无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
●电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。
电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。
驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。
无刷直流电动机的原理简图如图一所示：主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ 调制波的对称交变矩形波。
永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组建处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。
无刷直流电机工作原理
无刷直流电机工作原理
无刷直流电机是一种将直流电能转换为机械能的电动机。
与传统的有刷直流电机相比，无刷直流电机采用了新的控制技术和结构设计，以提高效率、减少噪音和提高可靠性。
无刷直流电机的工作原理基于霍尔效应和电磁感应原理。
无刷直流电机通常由定子、转子和控制器组成。
定子是无刷直流电机的固定部分，通常由一系列电磁线圈组成，这些线圈被称为相。
每个相都有一个对应的霍尔传感器，用于检测转子的位置。
转子是无刷直流电机的旋转部分，通常由永磁体或电磁体组成。
转子上安装有若干个永磁体或电磁体的磁极，这些磁极和定子相的电磁线圈之间建立起磁场。
控制器是无刷直流电机的核心部分，用于控制电流流向电磁线圈。
控制器根据霍尔传感器检测到的转子位置信号，准确地控制电流的方向和大小。
通过改变电流的方向和大小，控制器能够实现转子的旋转。
当电流通过定子相的线圈时，根据电磁感应原理，线圈会产生磁场。
根据磁场的方向和大小，可以吸引或排斥转子上的磁极，从而使转子旋转。
通过不断地改变电流的方向和大小，控制器可以使转子以恒定的速度旋转。
此外，控制器还可以根据外部输入信号调整电机
的转速和扭矩。
总之，无刷直流电机通过控制电流的方向和大小，将直流电能转换为旋转运动。
它具有高效率、低噪音和高可靠性等优点，被广泛应用于工业和消费电子领域。
图文讲解无刷直流电机的工作原理
图文讲解无刷直流电机的工作原理电动无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成导读：,是一种典型的机电一体化产品。
同三相异步电动机十分相似。
它的应用非常广泛，,机的定子绕组多做成三相对称星形接法在很多机电一体化设备上都有它的身影。
什么是无刷电机？无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
由于无刷所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另直流电动机是以自控式运行的，加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。
中小容量的无刷直流电动机的永磁体，稀土永磁无刷电动机的体积比材料。
因此，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。
. . .无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于统的接触式换向器和电刷。
它具有可靠性高、高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。
无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。
位置传感按转子（即检测转子磁极相对定子绕组的位位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流按并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，置，定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开。
一定的逻辑关系进行绕组电流切换）关电路提供。
位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。
采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。
采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。
转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。
（例是在定子组件上安装有电磁传感器部件采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将如耦合变压器、接近开关、LC 使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。
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工作原理
磁 →转 态逻极子改辑图每 变变示转 一换位过 次置→，60→ V电o，1位机、逆置有V变6信6开器个号通开磁关状磁位管态极置换，转信流三过号一相6→次各0逻o、导图辑定通示变子1位2换磁0置o状—→ →—两A、相B导相通导三通相→六I:状E+态-A- →V1、V2 开通→ A、C
B转-E子- 磁→场电顺机时顺针时连针续旋旋转转、定相子导磁通场→隔I: 6E0+O-跳A-跃C-旋E-转→
28
传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A
29
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
30
7.2.2 星形连接三相桥式主电路
+
VT1
VT3
VT5
US
A
B
C
VT4
VT6
VT2
-
位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些 开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通 方式和三三导通方式。
C
B
d) 三角形联结三相桥式主电路
12
主电路选择原则 绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组 转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小 电路成本：相数越多，电路成本越高
星形联接三相桥式主电路应用最多
13
3. 位置传感器 位置传感器：实时检测转子位置
3. 位置传感器
有位
置传
感器
位
检测
置
传
感
器
无位
置传
感器 检测
工作原理
磁 →转 态逻极子改辑图每 变变示转 一换位过 次置→，60→ V电o，1位机、逆置有V变6信6开器个号通开磁关状磁位管态极置换，转信流三过号一相6→次各0逻o、导图辑定通示变子1位2换磁0置o状—→ →—两A、相B导相通导三通相→六I:状E+态-A- →V1、V2 开通→ A、C
B转-E子- 磁→场电顺机时顺针时连针续旋旋转转、定相子导磁通场→隔I: 6E0+O-跳A-跃C-旋E-转→
SS N
NS
S
S
N
N
S
N
N
嵌入式磁极
环形磁极
内转子结构形式
7
外转子 永磁体 绕组
内定子
实际电机
结构示意图
外转子无刷直流电动机
8
2. 逆变器
作用：控制电机定子各相绕组通电顺序和时间。 分类：半桥式（半控）
桥式（全控）
9
2. 逆变器 1) 非桥式（半桥式）——半控型
US
US
A
B
C
A
B
C
D
a) 三相半桥主电 b) 四相半桥主电
31
1. 二二导通方式
每一瞬间只有两个功率管导通 电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：
Te
Eaia
Ebib
Ecic
式中Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势； ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；
——转子的机械角速度。
可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转 速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。
相导通星形三相三状态。
23
三相三状态BLDCM 原理
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
24
传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B
25
传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C
26
传感器：H1=0 H2=1 H3=0 导通相：C
27
传感器：H1=0 H2=1 H3=1 导通相：A
温故知新
1、直流伺服电动机工作原理，换向器和电 刷的作用？（P35） 2、交流同步伺服电动机工作原理（P54）
直流伺服电机
交流伺服电机
第7章 无刷直流电动机 Brushless DC Motors (BLDCMs)
7.1 无刷直流电动机系统 7.1.1 概述及基本组成
无刷：克服传统直流电动机机械换向方式缺点 优点：调速性能好，体积小质量轻，效率高，转 动惯量小，无励磁损耗 应用领域：航空航天，机器人，数控机床等精密 传动领域
US
A
B
C
VT1 H1 H2 H3
VT2
VT3
22
在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3 周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如 图所示。 H1
0 120 240 360 480
t
H2
0 120 240 360 480
t
H3
0 120 240 360 480
t
旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种 磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单
4
7.1 无刷直流电动机系统 7.1.1 概述及基本组成
直流电 源
逆变器
电机本体
输出
控制信号
控制器
位置传感器
无刷直流电机构成框图
5
1. 电动机本体
定子
永磁转子 传感器定子 传感器转子
(a) 结构示意图
(b) 定转子实际结构
无刷直流电动机结构
6
N S
S N
N S
S N
表面式磁极
N N
N
N
S
S
S
S
功能的指挥中心
16
逆变器、位置传感器与控制器
逆变器：控制电机定子各相绕组通电顺序和时间 位置传感器：实时检测转子位置 控制器：无刷直流电动机正常运行并实现各种调 速伺服功能的指挥中心 三者共同组成换相装置，起到电子换向器作用
17
7.1.2 基本工作原理
永磁无刷直流 电机系统图
控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换 后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆 变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定 顺序工作，在电机气隙中18产生跳跃式旋转磁场。
磁敏式 光电式 电磁式 接近开关式 正余弦变压器 编码器
反电动势检测 续流二极管工作状态检测 定子三次谐波检测 瞬时电压方程法
15
4. 控制器
模拟 控制 系统
控 制 器
数字 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
基于专用集成电路 的控制系统
数模混合控制系统
全数字控制系统
控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服
——自同步电机
电机顺时针旋转
——自同步电机
电机顺时针旋转
19
两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表
20
无刷直流电动机回顾
1、系统组成及各部分作用 2、简述工作原理
21
7.2 无刷直流电动机的主电路及其工作方式
无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三 相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相 桥式三种形式。
7.2.1 星形连接三相半桥主电路
路
路
10
2. 逆变器 2) 桥式——全控型
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
A
US
C
B
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
c) 星形联结三相桥式主电路
11
2. 逆变器 2) 桥式——全控型
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
US
A
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2