无刷直流电动机结构、原理和特性
无刷直流电动机由电动机和电子驱动器两部分组成。电动机部分结构和经典交流水磁同步电动机相似。其定子上有多相绕组，转子上镶有水久磁铁，山于运行的需要，还要有转子位置传感器。位置传感器检测出转lF磁场轴线和定子相绕组轴线的相对位置，决定各个时刻相绕组的通电状态，即决定电子驱动器多路输出开关的开／断状态，接通／断开电动机相应的相绕组。因此，无刷直流电动机可看成是由专门的电子逆变器驱动的有位置传感器反馈控制的交流同步电动机。从另一角度看，无刷直流电动机可看成是一个定转子倒置的直流电动机。 一般直流电动机的电枢绕组在转子卜，永磁体则在
定子上。有刷直流电动机的所谓换向，实际上是其相绕组的换相过程。它是借助于电刷和换向器来完成的。而无刷直流电动机制相绕组的换相过程则是借助于位置传感器和逆变器的功率开关来完成的。无刷直流电动机以电子换向代替了普通直流电动机的机械换同，具有普通直流电动机相似的线眭机械
特性和线性转矩／电流特性。
(一)结构
无刷直流电动机通常是由电动机本体、转子位置传感器和晶体管开关电路三部分组成，它的原理框图和结构简图分别如图2-5-1和图2-5-2所示。
无刷直流电动机在结构上是一台反装的普通直流电动机。它的电枢放置在定子上，水磁磁极位于转子上，与旋转磁极式同步电机相像。其电枢绕组为多相绕组，各相绕组分别与晶体管开关电路中的功率开关元件相连接。其中A相与晶体管v1、B相与v2、c相与V3相接。通过转于位差传感器，使晶体管的导通和截止完全由转子的位置角所决定，而电抠绕组的电流将随着转子位置的改变按一定的顺序进行换流，实现无接触式的电子换向。
无刷直流电动机中设有位置传感器。它的作用是检测转子磁场相剥于定子绕组的位置，并在确定的位置处发出信号控制晶体管元件，使定子绕组中电流换向。位置传感器有多种不同的结构形式，如光电式、电磁式、接近开关式和磁敏元件(霍尔元件)作一简要介绍。
光电式位置传感器是利用光束与转子位置角之间的对应关系，按指定的顺序照射光电元件(如光二极管、光三极管、光电池等)，由它发出电信号去导通开关电路中相应的晶体管，并使定子绕组电流依此换向。图2一5-3所示的是一种光电位置传感器，它用一个带有小孔的光屏蔽罩和转轴联接在一起，随同转子围绕一固定光源旋转，通过安放在对应于定子绕组几个确定位置上的光电池(当它受到了光束的照射，会发出相应电信号)，检测出定子绕组电流需要换向的确切位置，再由光电池发出的电信号去控制晶体管，使相应的定子绕组进行电流切换。
光电位置传感器发出的电信号一般都较弱，需要经过放大才能去控制晶体管。但光电位置传感器输出的是直流电压，不必再进行整流，这是它的一个优点。
(二)基本原理
下面以一台采用晶体管开关电路进行换流的两极三相绕组、带有光电位置传感器的无刷直流电动机为例，说明转矩产生的基本原理。图2 5—4表示电动机转子在几个不同位置时定子电枢绕组的通电状况，并通过电枢绕组磁势和转子绕组磁势的相互作用，来分析无刷直流电动机转矩的产生。
(1)当电动机转子处于图2—5-4瞬时，光源照射到光电池Pa上，便有电压信号输出，其余两个光电池Ph、Pc则无输出电压，由Pa的输出电压放大后使晶体管Vl开始导通(见图2—5-2)，而晶体管V2、V3截止。这时，电枢绕组Ax有电流通过，电枢磁势Fa的方向如图2—5-4(a)所示。电枢磁势Fa和转子磁势相互作用便产生转矩，使转子沿顺时针方向旋转。
(2)当电动机转子在空间转过2π／3电角度时，光屏蔽罩也转过同样角度，从而使光电池Pb开始有电压信号输出，其余两个光电池Pa、Pc则无输出电压。Pb输出电压放大后使晶体管V2开始导通(见图2—5 2)，晶体管V1、V3截止。这时，电枢绕组BY有电流通过，电枢磁势Fa的方向如图
2—5 4(b)所示。电枢磁势Fa和转子磁势相互作用所产生的转矩，使转子继续沿顺时针方向旋转。
(3)当电动机转子在空间转过4π／3电角度时，光电池Pc使晶体管V3开始导通，V1、V2截止，相应电枢绕组CZ有电流通过，电枢磁势Fa的方向如图2 5—4(c)所示。它与转子磁势相互作用所产生的转矩，仍使转子沿顺时针方同旋转。
当电动机转子继续转过2π／3电角度时，又回到原来的起始位置。这时通过位置传感器，重复上述的电流换向情况。如此循环进行，无刷直流电动机在电枢磁势和转子磁势的相互作用下产生转矩，并使电机转子按一定的方向旋转。
从上述例子的分析可以看出，在这种晶体管开关电路电流换向的无刷直流电动机中，当转子转过2π电角度，定子绕组共有3个通电状态。每一状态仅有一相导通，而其他两相截止．其持续时间应为转子转过2π／3电角度所对应的时间。各相绕组与晶体管导通顺序的关系如表2 5—1所示。各相绕
组中电流的波形如图2—5 5所示。
(三)特性
由工作原理可知，常规结构的无刷直流电动机(如双极性三相Y连接方式)相当于一台定子和转子倒置的、电枢只有6槽的永磁直流电动机，只不过它的换向器和电刷被位置传感器和晶体管换向电路替代了。这样，无刷直流电动机的外特性和参数与永磁直流有刷电动机相似。
无刷直流电动机电气方程式为：
式中：μ为外加直流电压(V)；i为瞬态电流(A)；Req为等值电阻(Ω)Leq为等值电感(H)；KE为等值电压常数(V／(rad／s))；ω为转子角速度(rad／s)。
上式忽略了各相绕组的互感、电枢反应引起的磁场变化、绕组电流变化的上升沿和下降沿及转速波动等次要因素。对于中低速无刷直流电动机，完全可以忽略各绕组的自感，故上式可以变为更简单的形式：
式中，Iav为平均电流(A)
无刷直流电动机的运动方程式为：
又有，
在恒定电源电压u为常数的条件下，由式(2-5-1)和式(2-5一3可得：
式中，ω0为理论空载转速(rad／s)，TS为堵转电磁力矩(N．m)；R。为速
上述方程式说明，永磁无刷直流电动机机械特性(电磁力矩／转速特性，转矩／电流特性)是呈线性的，与有刷永磁直流电动机相同。图2 5 6为一台无刷直流电动机实测特性曲线。图中给出了转速n(r／min)、输出转矩T(mN·m)(T≈Te一Tf、电流Iav(A)、输出功率P(w)、总效率η(包括电动机和换向电路)之间的关系，还给出了环境温度为+20℃和50℃时的特性对比。
必须指出的是由于外特性相似，使用者有可能将原先的有刷直流电动机换成无刷的，而不会影响原装置的总性能。但是，还必须了解无刷直流电动机特性方面的某些特点，例如：
(1)在连续工作制(SI)下，有刷直流电动机的电压常数KE和转矩常数KT满足KE—KT关系。而从理论分析可知，对于无刷直流电动机来说，两者略有差异，差别在0．6％～3．6％之间。它与绕组相数、连接方式和工作状态等有关。这种差异反映了无刷直流电动机存在电流波动和转矩波动这一本质。但使用者欲了解电动机外特性时，可以认为KT≈KE。
(2)无刷直流电动机一般有较明显的电流波动和转矩波动，上述方程给出的电流值IAV和力矩Te是指平均值。
(3)无刷直流电动机特性与换向开关晶体管的饱和压降和等值电阻有关，特别是在脉宽调制工作方式时，晶体管开关速度对电机特性也有一定程度的影响。因此，无刷直流电动机的特性应理解为电机与特定换向电路作为一个整体的工作特性。
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