无刷直流电机的结构与特性

近年来，伴随着电子电力技术的发展和新型永磁材料的兴起，无刷直流电机也出现在人们的视野当中，它是现代工业设备、科学技术和军事装备中的重要组成部分之一，有很好的发展前景。.

本文章主要讨论无刷直流电机的基本结构、工作原理和工作特性，阐述了电机各个部分之间的关系，作为电磁设计计算和研究分析的基础。

无刷直流电机的基本结构

无刷直流电机的基本组成结构包括电机本体、转子位置传感器和电子换相电路。具体如图所示

永磁无刷直流电机系统的组成结构示意图

电机本体在结构上与永磁同步电机类似，它是无刷直流电机能够实现机电能量转换的核心部分，所以它的设计针对整个系统的可靠运行有着至关重要的作用。位置传感器用来检测转子磁极的位置，它是代替机械换相得关键部件，传感器输出的位置信号经过逻辑单元的处理，会产生相对应的开关信号，接收到开关信号后，驱动控制电路的功率开关元器件相继被触发，这样直流侧的电能转换成了机械能，电机会产生输出转矩，从而实现可靠运行。

电机本体

无刷直流电机本体主要有定子和转子组成

定子

定子是电动机静止不动的部分。它通常由定子铁心，电枢绕组以及机座三个部分组成。为了有效地降低定子铁损，定子的铁心一般采用硅钢片叠压而成。硅钢片冲成带有齿槽的环形冲片，同时会对冲片表面进行移动那个的绝缘处理来降低涡流损耗，为了减小电机的转矩波动和噪音，定子铁心会采用斜槽。定子的槽内可以安放电电枢绕组。槽数的选择需要综合考虑永磁体的极对数和控制电路的相数。

定子的绕组也是电机本体的重要组成部分。接入电源后，电流流入绕组会产生相应的磁势，随后与转子永磁体产生的主磁场相互作用而产生电磁转矩。当无刷直流电机处于负载运行的状态时，会在绕组中产生一定得反电势，整个过程电机消耗了一定得电功率而输出了机械功率，将电能转换为机械能。

转子

转子是电机的转动部分，它能够产生主磁场，通常由永磁体、导磁体和支撑零部件组成。

永磁体和导磁体是产生磁场的核心。铝镍钴、铁氧体是早期使用的第一、二代永磁材料，目前使用较多的是稀土永磁材料。它主要分为稀土钴和钕铁硼，特点是剩磁高、矫顽力高、磁能积高。但是钕铁硼的磁性更好，价格更便宜，所以自从问世以来，在工业和民用的永磁电机中得到广泛的推广。导磁体一般用10号钢或者工业用电工纯铁等。

机械支撑零部件由转轴、轴套和压圈组成。它们起着固定永磁体和导磁体的作用。作为运行可靠、转轴需要耐住一定的强度，所以通常有非导磁性材料，比如圆钢等车磨而成。轴套和压圈通常选用黄钢和铝。

无刷直流电机的转子位置传感器

转子位置传感器是无刷直流电机的一个关键部件。它的作用是测定某一时刻定转子的磁极位置，从而为电子换相电路提供正确的信号。

位置传感器通常也是钉子和转子两个部分组成。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。传感器发展至今，形成了很多种类，可以满足人们的不同场合应用。现在将常见的传感器类型介绍如下：

（1）    电磁式位置传感器

    它的工作原理是基于电磁感应进行传感，使用时电磁传感器件装在定子组件上，当永磁体转子位置发证变化时，传感器由于电磁感应会产生相应的高频调制信号。

     电磁式位置传感器的优点是强度较高，可以经受较大的冲击，同时输出信号大，一般不需要经过放大就可以直接驱动开关管，但是它的输出是交流电压信号，需要调整流，同时体积比较笨重，信噪比较低，因而在普通的情况下使用并不广泛

（2）    磁敏式位置传感器

      它的工作原理就是利用电流的磁效应进行工作，通常的磁敏传感器有霍尔元件，磁敏电阻器或者专用集成电路等。磁敏式传感器的特点是结构简单、体积较小，对性能和环境要求不高的场合应用比较广泛。

（3）    光电式位置传感器

   它的工作原理是基于光电效应进行传感，使用时光传感器件装在定子组件上，转子上有遮光板，光源为发光二极管或者小灯泡。这样转子旋转时，光敏元件由于遮光板的作用会按一定得频率产生脉冲信号。

   光电式传感器的特点就是输出的为直流信号，不需要进行整流，轻便可靠，但是信号较弱，需要经过放大才能控制开关管。如图所示，即为一个光电式位置传感器的工作原理图，红外发光二级管VD1通过发出红外光，当遮光盘P随电机转子一起旋转时，红外光间断低照在光敏三级管V1上，是其不断导通和截止，其输出信号反映了转子位置，经过放大后驱动逆变器开光V2

光电式位置传感器工作原理图