详解无刷直流电机的工作原理

直流有刷电机

直流有刷电机的结构

介绍无刷直流电机前，需要先了解直流有刷电机。图1-1所示为直流有刷电机的结构原理图，其主要部件组成如图1-2所示。

图1-1 直流有刷电机结构原理图

图1-2 直流有刷电机组件

直流有刷电机的工作原理

其工作原理非常简单，当DC电流通过电刷进入，并通过换向器流进电机的绕组内，然后通过电刷与换向器之间的相对位置变化，改变流入电机绕组内的电流方向，从而实现电机的持续运转。

直流有刷电机的优缺点分析

图1-3给出了直流有刷电机的优缺点。

图1-3 直流有刷电机的优缺点

无刷直流电机

无刷直流电机的结构

通过分析可知，直流有刷的确定主要是由于电刷和换向器导致的。因此，无刷直流电机的最大特点就是去掉了电刷和换向器。为此，它也失去了改变电流方向的能力。为了弥补这个损失，它需要增加电子换向器。无刷直流电机与有刷电机的另外一个主要区别是互换了绕组和永磁体的位置。如图1-4所示的典型的三相直流无刷电机(brushless DC motor，如果直译应该是无刷直流电机，但是笔者习惯了直流无刷电机的说法，所以文章中可能会出现两种说法，大家了解这是指同一个东西即可)，永磁体放在了转子上，绕组放在了定子上(此为内转子形式，也有外转子形式的会将永磁体放在外部)，已经看不到电刷和换向器，但是需要增加电子换向器。无刷直流电机需要获得转子的位置，以便通过电子换向器正确的进行换相，这一般是通过霍尔传感器实现的。但获取换相点并不一定必须通过霍尔传感器，所以图1-4中并未给出霍尔传感器。图1-5给出了带霍尔传感器的结构图。霍尔传感器的布置原理将在后续文章中介绍。图1-6是一台无刷直流电机的实际产品，可以将图1-4与图1-6结合来看。

图1-4 无刷直流电机的结构原理图

图1-5 带霍尔传感器的无刷直流电机结构示意图

图1-6 无刷直流电机实物图

无刷直流电机的工作原理

直流无刷电机主要是靠霍尔传感器或者反电动势获得当前转子的位置，然后根据设定的换相表获得当前时间应该给哪两相绕组通电，从而获得定子磁链和反向与转子磁链的方向呈一定的角度。

下面通过一组图片解释无刷直流电机的工作原理。常用的控制方式是每次给两相绕组通电。每相绕组的通电时间为120度电角度，剩余的一相未通电绕组可以用来检测反电动势并执行换相。这样每次通电过程中，可以产生双倍的扭矩，效率提高。图1-7到图1-12给出了两相通电时的示意图。注意，在图1-7到图1-12中，我们已经把三个独立线圈的一端连接在一起，形成了Y型连接，这样可以方便电子换向。

图1-7: AB两相导通

图1-8 AC两相通电

图1-9 BC两相导通

图1-10 BA两相导通

图1-11 CA两相导通

图1-12 CB两相导通

此时，你可能仍然又一个疑问。我应该在什么时候给哪两相通电？如何来实现？

这就要利用到无刷直流电机结构章节讲到的霍尔信号和电子换向装置。如图1-13所示，通过霍尔传感器得到电机转子的位置，根据转子的位置来决定给哪相绕组通电。

图1-13 无刷直流电机换相原理

具体过程如图1-14所示，根据当前采集的HALL值，按照定义好的换相表可知此时应该给A相通正向电流，C相通负电流(定义电流的正方向为流入绕组)。同理，在60度电角度以后，HALL值再次发生跳变，同样的原理可得此时应该给B相通正电流，C相通负电流，如图1-15所示。

图1-14 A相正电流C相负电流

图1-15 B相通正电流C相通负电流

无刷直流电机的优缺点分析

图1-16给出了无刷直流电机的优缺点分析。

图1-16无刷直流电机的优缺点

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