无刷电机的结构及转动原理

在第 3 部分中，我们将解释无刷电机在结构和旋转原理上的差异，并将它们与有刷直流电机和交流电机进行比较。

无刷电机结构及转动原理

无刷电机在保持直流电机优良可控性的同时，用电子元器件代替了电刷和换向器。

2.2.1 无刷电机结构

转子包含永磁体，定子包含绕组，这意味着该结构将图 2.1 所示的直流电机中定子和转子的位置颠倒(上一篇)。对于有刷直流电机，一旦电流通过换向器和电刷提供给绕组，电机就开始旋转。当电机旋转时，下一组换向器和电刷通电，从而将电流引导到不同的绕组并继续旋转。 由于无刷电机无需使用电刷或换向器即可实现换向，因此它们需要磁极传感器(霍尔元件、霍尔效应 IC 等)来检测永磁体的磁极位置，以及用于引导电流流过电机的驱动器根据检测到的磁极位置绕组。

2.2.2. 无刷电机转动原理

为了解释无刷电机的旋转原理，我们将使用图 2.8 中所示的简化三相 2 极模型。

对于转子磁铁，北极和南极的磁极角均为 180°。磁极传感器 Ha、Hb 和 Hc 相隔 120°，它们检测转子磁铁的北极并输出信号。

对于定子，U相线圈、V相线圈和W相线圈间隔120°并且与磁极传感器偏移60°。

对于定子的每个相绕组，当电流从驱动电路流向电机时，在定子的内径侧产生南极。当电流以相反方向流动时，在定子的内径侧产生北极。图 2.8 显示了电流从 U 相流向 V 相时的状态。

为了解释电机旋转原理，让我们使用图 2.9 所示的旋转顺序，并假设图 2.8 所示的转子磁铁的方向是初始点(0°)。

1.在区间(a)，磁极传感器Ha和Hc检测到N极并输出信号。在这种情况下，如果晶体管 Tru+ 和 Trv= 导通，则电流从定子中的 U 相线圈流向 V 相线圈。此时，V相在转子磁铁中的北极被磁化(励磁)，吸引南极，排斥北极。U 相在南极磁化(励磁)并排斥转子磁体中的南极。这导致转子顺时针旋转。

2.在区间(b)中，超过60°，只有磁极传感器Ha检测到北极并输出信号。在这种情况下，如果晶体管Tru+和Trw-导通，则电流从定子中的U相线圈流向W相线圈。U 相保持励磁，吸引转子磁体中的北极，并排斥转子磁体中的南极。W 相被激发为北极并排斥转子磁体中的北极。这导致转子顺时针旋转。

3. 每旋转60°，磁极传感器Ha、Hb、Hc的ON/OFF组合发生变化。对于电机旋转一圈，有6种不同的磁极传感器输出组合，分别用(a)到(f)表示。通过为每个模式顺序切换一组确定的激发相，连续产生旋转磁场。

另外，通过改变磁极传感器Ha、Hb、Hc的各输出组合的电流流过线圈的方式，可以反转电动机的旋转方向。

例如，如果仅磁极传感器Ha检测到N极并在上述间隔(b)输出信号时晶体管Trv+和Tru-导通，则电流从V相线圈流向U相线圈定子。此时U相在转子磁铁中被励磁为北极，吸引南极，排斥北极。V 相被激发为南极并排斥转子磁体中的南极。这导致转子逆时针旋转。

总之，无刷电机通过根据磁极传感器输出信号引导电流流过相线圈来旋转。传感器输出信号的检测以及晶体管的自动切换由“驱动电路”处理，有时也称为“驱动器”或“驱动器”。

提示：无刷电机电流

直流电施加于无刷电机的驱动电路，但交流电流过电机。为此，无刷电机有时也被称为交流同步电机。

2.2.3 无刷电机特性

如“2.2.1 无刷电机结构”中所述，无刷电机中的定子和转子位置与直流电机中的位置相反。因此，如图 2.10 所示，无刷电机的基本速度-转矩特性呈现出与有刷直流电机相同的倾斜特性，电机以与负载转矩相匹配的转速旋转。

如果速度减慢，则电机产生的扭矩增加，并且流过与扭矩成比例的电流。如果流过大电流，电机的永磁体磁力可能会降低(退磁)，绕组可能会过热而烧毁。此外，驱动电路上的输出元件和转换器必须能够处理大电流，这导致驱动电路体积大且价格昂贵。

如果转速增加，电机产生的扭矩减少，驱动所需的负载扭矩减少，不适合使用。以更高的速度运行它会增加齿轮箱与电机结合发出的噪音，并且还会导致齿轮箱润滑不足，从而影响使用寿命。

由于上述原因，对于无刷电机，驱动电路限制了流过电机的最大电流和最大转速。因此，Oriental Motor 产品目录中印制的速度-扭矩特性类似于图 2.11。

提示：转子磁铁退磁

永磁体是通过对磁性材料施加强磁场来磁化的。相反，使过大的电流流过电机会导致定子产生反磁场，从而降低转子磁体的磁力。这称为退磁。

Oriental Motor 的电机和驱动器系统旨在防止在产生最大瞬时扭矩的电流下退磁。

2.2.4 无刷电机特点

无刷电机的特点如下所示。

与直流电机相比

速度-转矩特性具有与有刷直流电机相同的斜率特性，具有优良的可控性。

由于没有电刷和换向器，无需清洗磨损粉、更换电刷或进行其他定期维护，使用寿命更长。

由于没有电刷或换向器，因此没有电弧引起的电子噪声。产生开关噪声。

不会产生机械噪音(刷子)。

运行需要磁极传感器和驱动器。

由于从磁极传感器输出检测电机转速并进行反馈控制，因此速度精度高。

因为有反馈控制，所以可以在操作过程中检测到异常行为。

与变频控制电机和交流调速电机相比

由于扭矩从低速到高速是平坦的，因此速比对于所有实际用途来说都很大。

如果在相同输出功率下进行比较，无刷电机体积更小，效率更高。

可与直流电源一起使用。

由于从磁极传感器输出检测电机转速并进行反馈控制，因此速度精度高。

因为有反馈控制，所以可以在运行过程中检测到异常行为。0

由于有刷直流电机价格低廉，因此它们被用于要求寿命相对较短的各种应用。然而，对于一般工业用途，不仅存在寿命和可维护性问题，而且在运行期间的速度精度、故障检测等方面也需要高度的可靠性，这导致了无刷电机越来越受欢迎。此外，由于电机体积小、输出功率大、效率高，因此被用于需要小型轻量化的设备以及电池供电设备。