【技术】分析无刷直流电机的结构和运行原理
直流电动机因其具有良好的调速性能，较宽的调速范围及简单的调速方式被广泛应用在高性能的调速系统中。但是有刷电机的换相器不可避免的存在换相火花、机械噪音、可维护性差等缺点。为了弥补有刷直流电机的这些不足，直流无刷电机（BrushLess DC Motor，简称BLDC）应运而生。直流无刷电机不仅很好的弥补了有刷直流电机的不足，性能上也完全可以和有刷直流电机相媲美，所以越来越多的被应用在高性能伺服及家电等领域。
无刷直流电机运行分析
无刷直流电机结构
下图1为典型的电动车用电机
图1 直流无刷电机
图2给出无刷电机的转子永磁体模型图
图2 直流无刷电机永磁体充磁方向
无刷直流电机将永磁体粘接在转子铁心表面，采用集中绕组的方式，组成了隐极式转子结构，转子永磁体所产生的主磁场分步接近于梯形波，当转子以恒定的转速旋转时，由主磁场切割定子绕组，在每相定子绕组中所感应电势的波形和主磁场基本保持一致，，为简化分析，可以近似视其为梯形波，其平顶宽度为120°电角度，如下图3所示，为了输出恒定的电磁功率或转矩，三相定子绕组必须加入六步的梯形波或方波电流。
图3 直流无刷电机三相反电势和电流波
通常情况下，无刷直流电机都有三个固定在定子上的位置传感器（一般为hall）检测转子相对定子的磁极位置，如图4所示反映出通过hall信号检测到的位置信号，图中hall为120°安装方式。
图4 直流无刷电机hall位置信号
无刷直流电机工作原理
电机运行的时候，三个hall信号通过一些处理之后给到MCU，MCU再根据得到的hall位置信息，按照一定的顺序驱动三相全桥逆变器中开关器件的通断，这样就可以获得六步梯形波的定子电流，使定子绕组产生旋变磁场，定子磁场的平均旋转速度与转子永磁体的转速同步，这样就会有有效的电磁转矩产生，转子连续旋转。从原理上也可以看出，无刷直流电机的运行换相时刻与转子位置息息相关。
下面从转矩角度分析直流无刷电机的运行过程。对于直流有刷电机来说，虽然转子在不停的旋转，但是由于定子侧的电刷位置不变，所以定子产生的直流励磁磁势Fs和转子侧的电枢磁势Fr处于静止状态，Fs和Fr也自然是相对静止状态。并且由于这两个磁势在空间上互相垂直，确保了直流电动机可以产生最大的电磁转矩，也具有良好的调速性能。而在实际应用中，有的应用为了方便，将直流无刷电机的永磁体移到转子侧，把电枢绕组放到定子侧，定子侧的三相电枢绕组是由三相全桥逆变器供电。定子绕组的供电频率是取决于转子位置信息的，也就是定子的供电频率和转子转速是同步的，因此，定子绕组产生的电枢磁势Fs与转子永磁体产生的励磁磁势Fr相对静止。
无刷直流电机逆变器的导通方式有很多种，以120°的两两导通方式对运行过程进行分析。120°两两导通方式满足下面条件
A，每隔60°换相一次；
B，每个开关器件导通120°；
C，任何瞬间有两只开关器件同时导通。
如上所述，见下图5所示，图中的“·”代表定子电流从纸面流出方向，图中的“×”代表定子电流流入纸面方向。XYZ分别为ABC线圈的流出端，且对于Y接的直流无刷电机，XYZ是短接在一起的，本文章对于Y电机分析，▲连接的直流无刷电机与本文章分析类似，只是定子空间磁链相差30°电角度。
图5 直流无刷电机运行分析1
上图5的（a）中，给定子通入直流电，定子电流从A流入B流出。根据法拉利电磁感应定律，使用右手定则可以分析出此时定子磁链方向如图5（a）中的Fs方向所示，假设此时转子磁极位置如图5（a）所示（为简化分析，本文章只对一对极的直流无刷电机进行分析，多对极的类似）。此时定子和转子磁场空间互差120°电角度，产生转矩，转子逆时针转动。经过一段时间之后，转子运行到图5（b）所示位置，此时的转子磁场和定子磁场相差60°电角度。假如这个时候不改变定子电流的通电方向，那么转子一段时间之后就会运行到图5（c）所示位置。此时的定子和转子磁场互差30°电角度，高中物理我们学过，只有磁链互相垂直的时候产生的转矩才会最大，并且产生的转矩与两个磁链的夹角的正弦成正比关系，所以当转子永磁体运行到图5（c）所示位置的时候，此时的转矩比定转子磁链互相垂直的时候减小很多，此时更多的定子电流用来产生磁场，做无功，定子线圈就会发热严重。为了避免这样的情况发生，所以在转子永磁体运行到图5所示（b）位置的时候，要即使换相，改变三相定子电流方向，以保持定转子磁链产生的转矩一直在很大的值。
图6 直流无刷电机运行分析2
如上图6（a），当转子位置从图5（a）运行到图5（b）的时候，为了得到更理想的转矩，此时必须换相，相应的位置如图6（a）所示，此时，A相电流流入，顺着A-X-Z-C流出，B相此时断电，对应的此时定子磁链Fs和转子磁链Fr方向如图6（a）所示。由于及时的换相，定子和转子磁链又空间互差120°电角度，转子继续逆时针运行，运行到图6（b）所示位置时，定转子磁链之间的磁场夹角变为60°电角度，为了得到更好的转矩，需要继续换相，如图6（c）所示。此时A相断电，电流顺着B-Y-Z-C流出，换相结束后，定子磁链Fs再次改变方向，与转子磁链再次空间互差120°电角度。转子继续逆时针转动。
图7 直流无刷电机运行分析3
如图7为图6中的转子继续逆时针旋转之后，不断换相得到的图像。在不断变换定子磁链Fs方向的时候，可以发现，定转子磁链之间的空间夹角一直保持在120°——60°——120°——60°这样不断变化，也就是说，定转子之间的夹角平均值是90°，也就是定转子正交，所以得到的转矩就是最大值。下表1总结了上面对原理分析过程中的ABC各相导通顺序。
表1 直流无刷电机通电顺序
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