近年來(lái)，伴隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展和新型永磁材料的興起，無(wú)刷直流電機(jī)也出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，它是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備、科學(xué)技術(shù)和軍事裝備中的重要組成部分之一，有很好的發(fā)展前景。.

本文章主要討論無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性，闡述了電機(jī)各個(gè)部分之間的關(guān)系，作為電磁設(shè)計(jì)計(jì)算和研究分析的基礎(chǔ)。

無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

無(wú)刷直流電機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)包括電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相電路。具體如圖所示

電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)類似，它是無(wú)刷直流電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的核心部分，所以它的設(shè)計(jì)針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。位置傳感器用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置，它是代替機(jī)械換相得關(guān)鍵部件，傳感器輸出的位置信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯單元的處理，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，接收到開(kāi)關(guān)信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)控制電路的功率開(kāi)關(guān)元器件相繼被觸發(fā)，這樣直流側(cè)的電能轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。

電機(jī)本體

無(wú)刷直流電機(jī)本體主要有定子和轉(zhuǎn)子組成

定子

定子是電動(dòng)機(jī)靜止不動(dòng)的部分。它通常由定子鐵心，電樞繞組以及機(jī)座三個(gè)部分組成。為了有效地降低定子鐵損，定子的鐵心一般采用硅鋼片疊壓而成。硅鋼片沖成帶有齒槽的環(huán)形沖片，同時(shí)會(huì)對(duì)沖片表面進(jìn)行移動(dòng)那個(gè)的絕緣處理來(lái)降低渦流損耗，為了減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和噪音，定子鐵心會(huì)采用斜槽。定子的槽內(nèi)可以安放電電樞繞組。槽數(shù)的選擇需要綜合考慮永磁體的極對(duì)數(shù)和控制電路的相數(shù)。

定子的繞組也是電機(jī)本體的重要組成部分。接入電源后，電流流入繞組會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁勢(shì)，隨后與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的主磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)處于負(fù)載運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)，會(huì)在繞組中產(chǎn)生一定得反電勢(shì)，整個(gè)過(guò)程電機(jī)消耗了一定得電功率而輸出了機(jī)械功率，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，它能夠產(chǎn)生主磁場(chǎng)，通常由永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件組成。

永磁體和導(dǎo)磁體是產(chǎn)生磁場(chǎng)的核心。鋁鎳鈷、鐵氧體是早期使用的第一、二代永磁材料，目前使用較多的是稀土永磁材料。它主要分為稀土鈷和釹鐵硼，特點(diǎn)是剩磁高、矯頑力高、磁能積高。但是釹鐵硼的磁性更好，價(jià)格更便宜，所以自從問(wèn)世以來(lái)，在工業(yè)和民用的永磁電機(jī)中得到廣泛的推廣。導(dǎo)磁體一般用10號(hào)鋼或者工業(yè)用電工純鐵等。

機(jī)械支撐零部件由轉(zhuǎn)軸、軸套和壓圈組成。它們起著固定永磁體和導(dǎo)磁體的作用。作為運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)軸需要耐住一定的強(qiáng)度，所以通常有非導(dǎo)磁性材料，比如圓鋼等車磨而成。軸套和壓圈通常選用黃鋼和鋁。

無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器

轉(zhuǎn)子位置傳感器是無(wú)刷直流電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件。它的作用是測(cè)定某一時(shí)刻定轉(zhuǎn)子的磁極位置，從而為電子換相電路提供正確的信號(hào)。

位置傳感器通常也是釘子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分組成。轉(zhuǎn)子是用來(lái)確定電動(dòng)機(jī)本體磁極的位置，定子的安放是為了檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。傳感器發(fā)展至今，形成了很多種類，可以滿足人們的不同場(chǎng)合應(yīng)用。現(xiàn)在將常見(jiàn)的傳感器類型介紹如下：

（1）電磁式位置傳感器

它的工作原理是基于電磁感應(yīng)進(jìn)行傳感，使用時(shí)電磁傳感器件裝在定子組件上，當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)證變化時(shí)，傳感器由于電磁感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的高頻調(diào)制信號(hào)。

電磁式位置傳感器的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度較高，可以經(jīng)受較大的沖擊，同時(shí)輸出信號(hào)大，一般不需要經(jīng)過(guò)放大就可以直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，但是它的輸出是交流電壓信號(hào)，需要調(diào)整流，同時(shí)體積比較笨重，信噪比較低，因而在普通的情況下使用并不廣泛

（2）磁敏式位置傳感器

它的工作原理就是利用電流的磁效應(yīng)進(jìn)行工作，通常的磁敏傳感器有霍爾元件，磁敏電阻器或者專用集成電路等。磁敏式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小，對(duì)性能和環(huán)境要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用比較廣泛。

（3）光電式位置傳感器

它的工作原理是基于光電效應(yīng)進(jìn)行傳感，使用時(shí)光傳感器件裝在定子組件上，轉(zhuǎn)子上有遮光板，光源為發(fā)光二極管或者小燈泡。這樣轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件由于遮光板的作用會(huì)按一定得頻率產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

光電式傳感器的特點(diǎn)就是輸出的為直流信號(hào)，不需要進(jìn)行整流，輕便可靠，但是信號(hào)較弱，需要經(jīng)過(guò)放大才能控制開(kāi)關(guān)管。如圖所示，即為一個(gè)光電式位置傳感器的工作原理圖，紅外發(fā)光二級(jí)管VD1通過(guò)發(fā)出紅外光，當(dāng)遮光盤P隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外光間斷低照在光敏三級(jí)管V1上，是其不斷導(dǎo)通和截止，其輸出信號(hào)反映了轉(zhuǎn)子位置，經(jīng)過(guò)放大后驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)光V2

除了以上常見(jiàn)的位置傳感器外，近年來(lái)也出現(xiàn)了無(wú)位置傳感器。當(dāng)電機(jī)本身體積較小，安裝傳感器不便時(shí)，就可以采用位置傳感器技術(shù)，但是他的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不高，適合在小型電機(jī)、輕載條件下使用。

電子轉(zhuǎn)相電路

通常，無(wú)刷直流電機(jī)的電子環(huán)相線路由功率開(kāi)關(guān)器件和邏輯控制電路組成。功率開(kāi)關(guān)器件將直流電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給定子的各相繞組，這樣的電機(jī)會(huì)持續(xù)不斷地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩并輸出送出去。控制部分是將通過(guò)傳感器檢測(cè)得到的信號(hào)換成對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件，從而實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)定子各相繞組導(dǎo)通時(shí)間的功能。

目前，無(wú)刷直流電機(jī)的主開(kāi)關(guān)一般是用IGBT或者MOS管等全控制器件，有些主電路已經(jīng)有了集成功率模塊和智能功率模塊，它們的應(yīng)用可以使整個(gè)系統(tǒng)可靠性大幅度提高。

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