无刷直流电机结构、类型和基本原理
2009年10月14日
无刷直流电动机
一、概述
直流电动机的主要优点是调速和启动特性好，堵转转矩大，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰。缩短电动机寿命，换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难，长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。
随着电子技术的迅速发展，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特性。又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点；它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转要中运行。
元刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快地发展。
二、无刷直流电动机的基本结构和类型
(一)基本结构
无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言．可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。其基本结构如图5一20所示。
电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机．它包括主定子和主转子两部分，主定子上放置空间互差120。的三相对称电枢绕组Ax、BY、cz，接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成的一对磁极。转子位置传感器也由定子、转子两部分组成。定子安装在主电动机壳内，转子和主转子同轴旋转。它的作用是把主转子的位置检测出来．变成电信号去控制电子开关电路，故也称转子位置检测器。电子开关电路中的功率开关元件分别与主定子上各相绕组相连接．通过位置传感器输出的信号，控制三极管的导通和截止．从而使主定子上各相绕组中的电流也随着转子位置的改变，按一定的顺序进行切换，实现无接触式的换向。
l.电机本体
元刷直流电动机是将普通直流电动机的定予与转子进行了互换。其转子为永久磁铁，产生气隙磁通：定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机类似。
无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同．在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等)．绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，由于磁极
中磁性材料所放位置的不同．可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。
2．转子位置传感器
转子位置传感器是无刷直流电动机的一个关键部件。可根据不同的原理构成如电磁感应式、光电式、磁敏式等多种不同的结构形式。其中，电磁感应式工作可靠，维护简便，寿命长．所以应用较多。它决定着电枢各相绕组开始通电的时刻。它的作用相当于一般直流电动机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻(相位)．相当于直流电动机中改变电刷在空间的位置，对无刷直流电动机的特性有很大的影响。
位置传感器一般也由定子和转子两部分组成。转子是用来确定电动机本体磁极的位置，定子的安放是为了检测和输出转子的位置信号。传感器种类较多．且各具特点。目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有以下几种形式。
(1)电磁式位置传感器。是一种利用电磁效应来实现位置测量的传感元件，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种形式，其中开_j变压器使用较多。
电磁感应式转子位置传感器原理如图j 2l所示。其定子由原边线圈与副边线圈绕在同一铁芯组成，转子则由一个具有一定角度(近似电动机的导通角)的导磁捌料组成，该导磁材料可由铁氧体或硅钢片制成。在线圈的原边wl端输入高频激磁信号．在副边线圈中感应出耦合转子铁芯与定子铁芯相对位置的输出信号，图中的wa经过电子线路处理，变成与电动机定子、转子位置相对应的电平信号，再经整形处理，就得到了电动机的换向信号。而没有耦合转子铁芯的定子线圈Wb、Wc均无信号输出。
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、适应性强、结构简单和紧凑等优点，但这种传感器信噪比较低．体积较大．而且其输出波形为交流，一般需经整流、滤波后方可使用，因而极大地限制了其在普通情况下的应用。
(2)磁敏式位置传感器。磁敏传感器利用电流的磁效应进行工作，所组成的位置检测器由与电机同轴安装、具有与电机转子同极数的永磁检测转子和多只空问均匀分布的磁敏元件构
成。目前常用的磁敏元件为霍尔元件或霍尔集成电路，它们在磁场作用下会产生霍尔电势，经整形、放大后即可输出所需电平信号，构成了原始的位置信号。图5-22为霍尔集成电路及其开关型输出特性。
为了获得三组互差120°电角度、宽180度电角度的方波原始位置信号。需要3只在空间
互差机械角度分布霍尔元件，其中户为电机极对数。图5-23给出了一台四极电动机的霍尔位置检测器完整结构，3个霍尔元件Hl、H2、H3在空间互差60°机械角度分布。当永磁检测转子依次经过霍尔元件时。根据极性的不同，产生出三相互差120°电角度、宽180°电角度的方波位置信号，它正好反映了同轴安装的电动机转子磁极的空间位置信息。经整形电路和逻辑电路后，输出6路功率电子开关的触发信和逻辑电路号。霍尔位置检测器是永磁无刷直流电动机中采用较多的一种。
(3)光电式位置传感器和光电式位置传感元件的结构。这是一种利用与电动机转子同轴安装、带缺口旋转圆盘对光电元件进行通、断控制．以产生一系列反映转子空间位置脉冲信号的检测方式。由于三相永磁元刷直流电动机一般每l／6周期换相一次，因此只要采用与电磁式或霍尔式位置检测相似的简单检测方法即可，不必采用光电编码盘的复杂方式。简单光电元件的结构如图5一24所示．由红外发光二极管和光敏三极管构成。当元件凹槽内光线被圆盘挡住时，光敏三极管不导通：当凹槽内光线
由圆盘缺口放过时，光敏三极管导通．以此输出开关型的位置信号。圆盘缺口弧度及光电元件空间布置规律和开口变压器式位置检测器相同。
