第10章 无刷直流电动机
无刷直流电动机原理
无刷直流电动机原理
无刷直流电动机是一种常见的电动机类型，它采用了先进的无刷技术，具有高效、高精度和长寿命等优点，广泛应用于机器人、航空航天、医疗设备、自动化控制等领域。
无刷直流电动机的原理是利用电磁感应产生转矩，其结构由转子、定子和电子控制器组成。
转子由永磁体和电枢组成，定子由线圈和磁铁组成，电子控制器则负责控制电机的转速和转向。
在工作过程中，电子控制器根据需要调整转子的位置和相位，使得电流按照一定的规律流过电枢，产生交替的磁场，从而驱动转子旋转。
无刷直流电动机的控制精度和响应速度非常高，能够快速响应各种控制指令。
无刷直流电动机的应用十分广泛，它已经成为现代工业和科技领域中不可或缺的一部分。
未来随着技术的不断更新和完善，无刷直流电动机的性能和应用范围也将不断扩大。
- 1 -。
无刷直流电机的组成及工作原理
无刷直流电机的组成及工作原理2.1 引言直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。
工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。
下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。
2.2 无刷直流电机的组成2.2.1 电动机本体无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。
无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。
钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。
第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。
目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。
该类型电机正处于研究开发阶段。
2.2.2 电子换相电路控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。
控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。
如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。
驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。
驱动电路由大功率开关器件组成。
正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。
但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。
无刷直流电动机的电流取样
普及与提高ıPOPULAR IZAT I ON &RA ISING无刷直流电动机的电流取样钟仁人 (西安微电机研究所 710077) 直流电动机的电枢电流有重要意义,由于其正比于轴上转矩,往往作为电动机转矩的代表。
无论对指示、控制,它都有着不可忽视的作用。
电枢电流流过绕组与电路器件会发热,因此它又是电机与装置安全运行的重要参数。
电流负反馈与过电流保护几乎是所有驱动装置不可缺少的环节,可见,电枢电流取样在电机驱动中是十分重要的。
1 无刷直流电动机的工作简述 无刷电机有矩形波驱动与正弦波驱动,本文讨论的是前者。
图1示出三相星形接线方式的桥式线路,这是最常见的方式。
图2示出其正常运行时的通电情况。
U 、V 、W 为转子位置传感器的输出信号。
图1 无刷直流电动机桥式线路这里采用晶体管脉宽调制方式进行调压,以实现电机调速。
图3为典型的方框图,这是一个具有电流负反馈与速度负反馈的双环系统。
图2 电机绕组与晶体管的通电情况图3 脉宽调速系统方框图图4表示出电机处于X t =0～60°区间工作的晶体管桥(设U L T >0,电机正转)。
无刷直流电动机的电流取样图4 X t =0～60°区间斩波工作的晶体管桥设此区间W A 与W C 通电(电枢电流从W A流入,由W C 流出),晶体管V 1、V 3、V 4与V 6处于斩波工作状态,波形见图5。
图5 X t =0～60°区间斩波工作的功率桥波形图这里U 1G 为三角波电压U $与控制电压U L T 相加后经比较器整形所得的方波电压,简化表示为U $+U L T ,图中U $-U L T 亦然。
电机端电压U D 及电流i D 的波形也在图中示出。
由图中可知电枢电压的脉宽正比于控制电压U L T 。
改变U L T 的符号,U D 、i D 方向随之而变,这样便实现了调速。
在X t =60°～120°区间,W B 、W C 通电。
直流无刷电动机名词解释
直流无刷电动机名词解释一、定义直流无刷电动机（Brushless DC Motor, BLDCM）是一种利用电子换向代替传统机械换向的电动机，也称为无刷直流电机。
它是一种将电能转换为机械能的电力驱动装置，通常由永磁体转子、霍尔元件和电子开关电路组成。
二、工作原理直流无刷电动机的工作原理基于霍尔效应和电子换向技术。
在直流无刷电动机中，霍尔元件被用来检测转子的位置，并将信号传递给电子开关电路。
电子开关电路根据接收到的信号，控制电流的流向和强度，从而产生旋转磁场，驱动转子转动。
与传统的直流电机相比，直流无刷电动机取消了电刷和换向器，因此具有更高的可靠性和效率。
三、结构特点直流无刷电动机的结构通常包括以下几个部分：1. 转子：由永磁体组成，产生磁场。
2. 定子：由导电材料制成，用于产生旋转磁场。
3. 霍尔元件：用于检测转子的位置。
4. 电子开关电路：根据霍尔元件的信号，控制电流的流向和强度。
四、控制方式直流无刷电动机的控制方式主要包括以下几种：1. 速度控制：通过改变输入到电动机的电压或电流，控制电动机的转速。
2. 方向控制：通过改变电流的流向，控制电动机的旋转方向。
3. 位置控制：通过控制电动机的旋转角度或位置，实现精确的位置控制。
五、应用领域直流无刷电动机具有高效、可靠、体积小、重量轻等优点，因此在许多领域得到广泛应用，如电动汽车、无人机、家用电器、工业自动化等。
六、优缺点比较1. 优点：（1）高效：由于取消了机械换向器，减少了能量损失，因此具有更高的效率。
（2）可靠：由于没有电刷和换向器的摩擦，因此具有更长的使用寿命和更高的可靠性。
（3）体积小、重量轻：由于结构简单，因此体积小、重量轻，便于携带和使用。
（4）维护成本低：由于没有电刷和换向器的磨损，因此维护成本较低。
2. 缺点：（1）成本较高：由于使用了电子控制技术，因此成本较高。
（2）对控制精度要求高：由于直流无刷电动机的控制精度直接影响到其性能和效率，因此对控制精度要求高。
无刷直流电机.
特种电机及其控制
28
三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律
特种电机及其控制
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2. 三三导通方式
三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律
特种电机及其控制
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1.2.3 角形连接三相桥式主电路
+
VT1
VT3
VT5
US
VT4
VT6
VT2
A
C CB
如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率
第1章 无刷直流电动机 及其控制系统
Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)
特种电机及其控制
1
永磁电机
0.1 永磁材料
什么是永磁材料 ？
0.1.1 永磁材料的特性 0.1.2 常见的永磁材料
特种电机及其控制
2
特种电机及其控制
3
特种电机及其控制
电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为 电枢反应。 电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示
Y Fad S
Faq C
Fa
A
N
X II
Z
B Fr I
如图所示，电枢 磁动势的直轴分 量Fad对转子主磁 极产生最大去磁 作用
特种电机及其控制
34
A
Y
Fa C
Faq
S
N Fad X
Z
如图所示，电枢磁
动势的直轴分量Fad 对转子主磁极产生
MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二
二导通和三三导通两种。
特种电机及其控制
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1. 二二导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律
(完整)永磁无刷直流电动机的基本工作原理
永磁无刷直流电动机的基本工作原理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。
1. 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：永磁无刷直流电动机的基本工作原理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,通过逻辑组件处理产生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。
每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度,转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码,新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度,如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。
正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。
2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处,电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组.由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流—转矩特性。
直流无刷电动机工作原理与控制方法
直流无刷电动机工作原理与控制方法直流无刷电动机（Brushless DC Motor，简称BLDC）是一种基于电磁力作用实现机械能转换的电机。
与传统的有刷直流电动机相比，BLDC 电机不需要传统的用于换向的有刷子和槽型换向器，具有寿命长、效率高和维护方便等优点。
BLDC电机广泛应用于工业自动化、电动车辆、航空航天等领域。
BLDC电动机的工作原理如下：1.结构组成：BLDC电动机主要由转子、定子和传感器组成。
2.定子：定子是由硅钢片叠压而成，上面布置有若干个线圈，通电后产生磁场。
3.转子：转子上布置有磁铁，组成多个极对，其中每个极对由两个磁体构成。
4.传感器：BLDC电机中通常搭配有霍尔传感器或者编码器，用于检测转子位置，实现无刷电机的精确控制。
BLDC电动机的控制方法如下：1.转子位置检测：通过霍尔传感器或编码器检测转子位置，以便控制电机的相电流通断和电流方向。
2.电流控制：根据转子位置信息，利用控制算法控制电机的相电流，将电流引导到正确的相位上以实现电机的转动。
3.电压控制：根据电机转速需求，控制电机的进给电压，调整电机转速。
4.速度控制：通过调整电机的进给电压和相电流，使电机达到所需的速度。
5.扭矩控制：通过控制电机的相电流大小，控制电机的输出扭矩。
BLDC电机的控制可以分为开环控制和闭环控制两种方式：1.开环控制：根据电机的数学模型和控制算法，在事先给定的速度范围内，根据转子位置信息和电机参数计算出合适的相电流和电压进行控制。
开环控制简单，但无法实现高精度的转速和位置控制。
2.闭环控制：通过传感器实时检测转子位置和速度，在控制算法中进行比较，调整相电流和电压，使电机输出所需的速度和扭矩。
闭环控制可以实现高精度的转速和位置控制，但相对于开环控制，需要更多的硬件和软件支持。
总结起来，BLDC电动机通过转子位置检测和电流控制实现高精度的转速和位置控制。
在控制方法上，可以采用开环控制或闭环控制，根据具体应用的需求选择合适的控制方式。
无刷直流电机在国内外的发展与现状
第一章绪论1.1 引言按照电刷的角度，直流电动机可以分为有刷直流电机和无刷直流电机。
直流电动机有调速性能优越、起动性能好、运行效率高等优点，因此被较多的应用于工业生产与人们的日常生活中。
但是传统的直流电动机都采用电刷，通过机械方法进行换向，因此存在较大的机械摩擦，从而带来了噪声污染、火花较多、无线电干扰以及使用寿命较短等弱点，再加上直流电动机制造成本高及后期保养维修比较困难等缺点，因而大大减小了它的使用范围i。
电动机的类型主要分为交流电动机与直流电动机两种。
但传统的直流电动机由于电刷以机械方法进行换相，引入了许多固有的电机运行时的弱点，由此极大的限制了其应用范围。
针对直流电机的一些固有的缺陷目前在工农业的生产过程中，许多场合都采用交流电动机取代了以前的直流电机。
交流同步电机具有良好的运行性能，但其启动性能差；交流感应电机具有结构简单、运行可靠的特点，但其调速性能差ii。
人们在寻求一种更加实用的电机。
随着电力电子的发展与永磁材料的逐步应用，无刷直流电机应运而生。
无刷直流电机主要是改变了传统有刷直流电机的电刷控制结构，采用了电力电子元件进行换相，减少了由于电刷引起的不良效果。
同时也实现了电机的调速。
无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性、高效率、优良的调速性能等诸多优越性iii。
表1-1 从9 个方面的特性对交流异步电机、有刷直流电机和无刷直流电机作了比较。
无刷直流电机的优越性促使它拥有有更大的应用领域，伴随着科技的发展和人们对电机性能要求的逐渐提高，对无刷直流电机的研究已经成为了国内外重点的研究课题。
1.2 无刷直流电机在国内外的发展与现状关于无刷直流电机的发展历史，我们可以追溯到1917 年，Boliger 提出了放弃有刷直流电动机的机械电刷而用整流管代替的理念，进而永磁无刷直流电机的基本思想随之诞生。
到二十世纪30 年代，开始研制用电子换向替代电刷机械换向的直流无刷电动机，并且取得了一定成果。
无刷直流电动机简介和基本工作原理
无刷直流电动机简介和基本工作原理无刷直流电动机简介和基本工作原理无刷直流电动机简介直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。
是将交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。
无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。
无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。
基本工作原理无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
同步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。
而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位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。
由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流—转矩特性。
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导读：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。
它的应用非常广泛，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。
由于无刷直流电动机是以自控式运行的，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，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（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。
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统的接触式换向器和电刷。
它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、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。
位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，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，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。
定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。
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。
采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将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）。