CW32电机控制基础--无刷直流电机概述

无刷直流电机不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中有许多优点，比如：能获得更好的扭矩转速特性、高速动态响应、高效率、长寿命、低噪声、高转速、无换向火花、运行可靠、易于维护等等。无刷直流电机被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。

本文首先简单介绍常用电机的结构特点，之后重点对无刷直流电机的工作原理、数学模型、运行特性等进行详细的介绍。

一、常用电机分类及结构特点
电机是一种利用电磁感应定律和电磁力定律，将能量或信号进行转换或变换的电磁机械装置。电机在国民经济的各个领域起着重要作用。在电力工业中，产生电能的发电机和对电能进行变换、传输与分配的变压器是电站和变电所的主要设备。在工业企业中，人们利用电动机把电能转换为机械能去拖动各种生产机械，从而满足生产工艺过程的要求。在交通运输业中，需要大量的牵引电动机。在电力排灌、播种、收割等农用机械中，都需要规格不同的电动机。在品种繁多的家用电器中，也离不开功能各异的小功率电动机。

所以电动机是一种将电能转换成机械能的装置，在各个领域都有广泛的应用。电动机有多种不同的类型，常见分类如表1所示。

表1 常用电机分类



1.1 异步电动机
异步电动机是一种交流电机，主要作为电动机使用。异步电机可以是三相的，也可以是单相的。三相异步电机主要用于工农业生产，单相异步电动则广泛用于各种民用电器和电动工具。

这里以三相交流异步电动机为例讲解异步电机内部结构。三相异步电动机的基本结构主要由两部分组成：静止的定子和旋转的转子。定子与转子之间，留有相对运动所必需的空隙。图4-1所示的是三相鼠笼式异步电动机的外形和内部结构。



图1三相鼠笼式异步电动机

(a)外形 (b)内部结构

定子由定子铁芯、定子绕组、机座及端盖等组成。在铸铁制成的机座内，装有用硅钢片叠压而成的圆筒形铁芯，铁芯的内圆周上冲有均匀分布的槽，如图4-2（a）所示；槽内用来安放三相对称绕组，如图4-2（b）所示，绕组与绕组、绕组与铁芯之间均具有良好的绝缘。根据电动机额定电压及三相电源电压的具体情况，三相绕组可以接成星形或三角形。



图2定子与转子

(a)定子铁心 (b)定子绕组 (c)转子外形 (d)鼠笼绕组　(e)鼠笼

转子的实物图如图2（c）所示，由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。转子铁芯的圆形硅钢片如图4-2（d）所示，圆形硅钢片的外圆冲有凹槽，用以放置转子绕组，其中心冲有圆孔，可以使圆形硅钢片叠压在转轴上。转子绕组用铜条放在槽内，两端再用两个铜环焊接而成，若不看铁芯，这些铜条及铜环就如图2(e)所示，样子很像一个鼠笼，所以这种电动机通常又称为鼠笼式电动机。对于中、小功率的电动机,一般都采用铸铝来代替铜条及铜环。为了提高转矩，实际转子上的槽不与转轴平行，而是相交一定的角度。

异步电机运行时，气隙中的旋转磁场与转子绕组之间存在相对运动，依靠电磁感应作用使转子绕组中感应电流，产生电磁转矩，从而实现机电能量转换。由于转子转速与旋转磁场转速之间存在差异，故称异步电机。又因转子电流是靠电磁感应产生的，因此异步电机也称为感应电机。从电磁关系方面看，异步电机和变压器很相似，研究变压器的许多方法可以用于异步电机。

异步电机与其他各种电机相比，具有结构简单，运行可靠，价格低兼等优点，所以它的用途十分广泛。在电网的总负荷中，异步电机的用量约占60％以上。但是，异步电机也有一些缺点，主要是：不能经济地在宽广的范围内调速，必须从电网吸取滞后的电流、使电网的功率因数降低。

1.2 直流电动机
直流电动机是指能通过直流电流而产生机械运动的电动机。

直流电机的结构形式很多，但总体上总不外乎由定子(静止部分)和转子(运动部分)两大部分组成。图3即为普通直流电机的结构图。直流电机的定子用于安放磁极和电刷，并作为机械支撑，它包括主磁极、换向极、电刷装置、机座等。转子一般称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。



图3直流电机的结构图

1—风扇 2—机座 3—电枢 4—主磁极 5—刷架

6—换向器 7—接线板 8—出线盒 9—换向极 10—端盖

1．主磁极
主磁极简称主极，用于产生气隙磁场。绝大部分直流电机的主极都不用永久磁铁，而是图4-4所示的结构形式(主极铁心外套励磁绕组)，即由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。为降低电机运行过程中磁场变化可能导致的涡流损耗，主极铁心一般用 1mm～1.5mm 厚的低碳钢板冲片叠压而成。极靴与电枢表面形成的气隙通常是不均匀的，并有极靴中部圆弧与电枢外圆同心、但两侧极尖间隙稍大的同心式气隙，和极靴圆弧半径大于电枢外圆半径的偏心式气隙两种。由于电机中磁极的 N 极和 S 极只能成对出现，故主极的极数一定是偶数，并且要以交替极性方式沿机座内圆均匀排列。



图4主磁极

1—主极铁心 2—极靴 3—励磁绕组 4—绕组绝缘

5—机座 6—螺杆 7—电枢铁心 8—气隙

2．机座
机座的主体是极间磁通路径的一部分，称为磁轭。主极、换向器一般都直接固定在磁轭上，如图5和图6。机座一般用铸钢或用薄钢板焊接成圆型，如图3，亦或多边形，如图6，磁轭部分也有采用薄钢板叠压方式的。通常，电机借机座的底脚部分与基础固定。



图5电机中的主极和换向极

1—主极 2—换向极 3—磁轭



图6多边形机座示意图

1—机座 2—磁轭 3—主极 4—换向极 5—电枢

3．电枢铁心
电枢铁心是用来构成磁通路径并嵌放电枢绕组的。为了减少涡流损耗，电枢铁心一般用厚0.35mm～0.5mm 的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。嵌放绕组的槽型通常有矩形和梨形两种，如图4-7。对于小容量电机，铁心叠片(也叫冲片)尽可能采用整形圆片；而大容量电机则可能要多片拼接，并且还要沿轴向方向分段，段与段之间再设置径向通风道，以加强冷却。

需要说明的是，电枢铁心的轴向通风道是铁心叠片上预留的通风孔叠压后形成的，如图7。



图7 电枢铁心冲片

(a)矩形槽 (b)梨形槽

4．电枢绕组
电枢绕组是用来感应电动势、通过电流并产生电磁力或电磁转矩，使电机能够实现机电能量转换的核心构件。电枢绕组由多个用绝缘导线绕制的线圈连接而成。小型电机的线圈用圆铜线绕制，较大容量时用矩形截面铜材绕制，如图4-8，各线圈以一定规律与换向器焊连。导体与导体之间，线圈与线圈之间以及线圈与铁心之间都要求可靠绝缘。为防止电机转动时线圈受离心力作用而甩出，槽口要加槽楔固定。唯一例外的是无槽电机，此时电枢绕组均匀敷设在电枢表面，但依然需要牢固绑扎，并且只可能在小容量直流电机中采用。



图8电枢绕组在槽中的绝缘情况

1—槽楔 2—线圈绝缘 3—导体

4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘

5．换向器
换向器的作用是把电枢绕组内的交流电动势用机械换接的方法转换为电刷间的直流电动势。换向器由多片彼此绝缘的换向片构成，有多种结构形式，图9为最常见的一种。



图9换向器

1—V形套筒 2—云母环 3—换向片 4—连接片

6．电刷装置
电刷的作用之一是把转动的电枢与外电路相连接，使电流经电刷进入或离开电枢；其二是与换向器配合作用而获得直流电压。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和汇流条等零件构成。

图10 是电刷的一种结构形式，图11是一种电刷装置。



图10普通的握刷和电刷

1—铜丝辫 2—压紧弹簧 3—电刷 4—刷盒



图11普通的电刷装置

1—电刷 2—刷握 3—弹簧压板 4—座圈 5—刷杆

一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。

作为直流电动机时，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈流过的电流方向是交变的，从而使电枢产生的磁转矩的方向恒定不变，确保直流电机朝确定的方向连续旋转，这是直流电动机的基本工作原理。

作为发电机时，同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，而通过换向器和电刷的整流作用，在电刷上输出的电动势极性是不变的直流电动势。在电刷之间接上负载，发电机就能向负载供给直流电能，这是直流发电机的基本工作原理。

一台直流电机作为电动机运行还是发电机运行，取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，作发电机运行。同一台电机，既能作电动机运行，又能作为发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。

直流电动机具有过载能力强，起动转矩和制动转矩大，易于在较广范围实现平滑调速等优点，但因其结构复杂、价格高、维修比较困难等，使它的应用受到限制。

随着电力电子技术的发展，配以电力电子装置的交流电动机在许多场合已取代了直流电动机。尽管如此，直流电动机具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的电气传动装置中。

1.3 步进电机
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

步进电机由定子和转子组成。定子由硅钢片叠成,有一定数量的磁极和绕组。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构。

如图12所示为一定子结构图。图13为一转子结构图。



图12步进电机定子结构图

电动机定子上有6个等分的磁极，相邻两个磁极间夹角为60度，相对的两个磁极组成一相，当某一绕组有电流通过，则该绕组的两个磁术立即形成N极、S极。每个磁极上各有5个均匀分布的矩形小齿。



图13步进电机转子结构图

转子无绕组，转子上有40个矩形小齿均匀分布在圆周上，当定子某相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，和转子形成磁路。

当定子绕组按一定顺序轮流通电时，转子就沿一定方向一步步转动。因此步进电动机绕组是按一定通电方式工作的，为实现该种轮流通电，需要将控制脉冲按规定的通电方式分配到电动机的每相绕组。



图14步进电机控制系统组成图

图14为步进电机控制系统组成图。其中步进控制器把输入的脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电动机，并能进行正反转控制。功率放大器把步进电动机输出的环型脉冲放大，以驱动步进电动机转动。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

很多步进电机驱动器都支持细分功能，即实现很小的步进角，控制更精确。但是步进电机不适合使用在长时间同方向运转的情况，容易烧坏产品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳。

步进电机温度过高会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此，电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。

1.4 无刷直流电机
无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）是随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，它是现代工业设备中重要的运动部件。无刷直流电机以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电力电子技术、数字电子技术和各种物理原理为后盾，具有很强的生命力。

无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器（可有可无）组成。

1．定子
BLDCM定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图4-15所示。从传统意义上讲，BLDCM的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDCM定子有 3 个呈星行排列的绕组，每个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。



图15 BLDCM内部结构

BLDCM的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图16和图17所示。



图16 梯形绕组的反电动势波形



图17正弦绕组的反电动势波形

2．转子
转子是2至8对永磁体按照N极和S极交替排列在转子周围构成的（内转子型）。如果是外转子型BLDC，那么就是贴在转子内壁。转子磁极排布如图18所示。



图18转子磁极排布

可见，无刷直流电机和直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构差不多（原来的定子变为转子，转子变为定子），绕组的连线也基本相同。但是，结构上它们有一个明显的区别：无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构就相对简单，降低了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不能自动换向（相），牺牲的代价是电机控制器成本的提高（如同样是三相直流电机，有刷直流电机的驱动桥需要4 只功率管，而无刷直流电机的驱动桥则需要6 只功率管）。

无刷直流电机最大特点是没有换向器和电刷组成的机械接触机构。因此，无刷直流电机没有换向火花，寿命长，运行可靠，维护简便。此外，其转速不受机械换向的限制，如采用磁悬浮轴承或空气轴承等，可实现每分钟几万到几十万转的超高转速运行。

无刷直流电机具有以下的优点：

无刷直流电机的外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩；
无刷直流电机的速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行；
无刷直流电机的效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现；
无刷直流电机的再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发电机状态；
无刷直流电机的体积小，功率密度高；
无刷直流电机四轴飞行器械换向器，采用全封闭式结构，可以防止尘土进入电机内部，可靠性高；
无刷直流电机比异步电机的驱动控制简单。
由于无刷直流电机具有上述一系列优点，因此，它的用途比有刷直流电机更加广泛，尤其适用于航空航天、电子设备、采矿、化工等特殊工业部门。
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无刷直流电机的优点确实很多，特别是在需要高可靠性和长寿命的应用中。它的高效率和低噪音特性也使其成为环保型设备的理想选择。

无刷直流电机不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器

电动机是一种将电能转换成机械能的装置，在各个领域都有广泛的应用