无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的.docx

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无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的

　无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。

它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

　　无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成，如图18-13所示。

位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。

定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

　　位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

　　采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

　　采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。

转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。

无刷直流电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用。

一、无刷电动机的组成结构和工作原理

三相永磁无刷电动机和一般的永磁有刷电动机相比，在结构上有很多相近或相似之处。

用装有永磁体的转子取代有刷电动机的定子磁极，用具有三相绕组的定子取代电枢，用技术'>逆变器和转子位置检测器组成的电子换相器取代有刷电机的机械换相器和电刷，就得到了三相永磁无刷电动机。

1.无刷电动机结构特点

无刷电动机属于三相永磁同步电机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁。

在这里，永久磁铁的特性，在很大程度上决定电动机的特性。

目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼、等根据几种的磁感应强度和磁场强度成线性关系这一特点，应用最为广泛的就是钕铁硼。

它的线性关系范围最大，被称为第三代稀土永磁合金。

在转子上安置永磁铁的方式有两种：

一种是将成型的永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将成型的永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。

根据永久磁铁安装方法不同，永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。

扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小、齿槽效应转矩小的优点，但易受电枢反应的影响。

且由于磁通不可能集中、气隙磁密度低，电极呈现凸的特性。

矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电电感大、齿槽效应转矩大，但磁通可集中，形成高磁通密度，故适于大容量电机，由于电动机呈现凸极特性，可以利用磁阻转矩，此外，这种转子结构的永久磁铁，不易飞出，故可作高速电机使用。

根据确定的转子结构所对应的每相励磁通势合布不同，三相永磁同步电机可分为两种类型：

正弦波形和方波形永磁同步电机，前者每相励磁磁通势分布是正弦波形，后者每相则是方波状，根据磁路结构和永磁体形状的不同而不同，对于径向励磁结构，永磁体直接面向均匀气隙如果采用稀大材料，由于采用非均匀气隙或非均匀磁场化方向长度的永磁体的径向励磁结构，气隙磁场波形可以实现正弦分布。

应该指出稀士永磁方波形电机属于永磁无刷直流电机的范畴，而稀土永磁体正弦波形电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电机使用。

但这不是绝对的，究竟是三相永磁直流无刷电动机还是三相永磁交流同步电机，主要决定于电动机的控制系统的方式，取决于电动机的转子位置传感器的类型。

2.三相永磁直流无刷电动机的转子位置传感器

永磁同步电动机的控制系统都属于自控式变频系统，就是说电动机的换相状态是由转子的位置决定的，电动机的控制频率是由转子的运行速度决定的，这就需要转子的位置检测器。

转子的位置检测器有多种，正弦波永磁同步电机一般采用旋转变压器式、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位置检测器。

而在永磁直流无刷电动机（方波电动机）中，一般采用简易型的位置检测器，该器件不能用来检测转子的精确位置，其检测精度通常只有60的电角度，其主要作用是为了满足电动机的换相要求。

位置传感器是直流无刷电动机系统组件部分之一，也是区别于直流有刷电机和直流无刷电动机的主要标志。

其作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。

以控制它们的导通和截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相。

形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断的旋转。

位置传感器的种类很多，有电磁式、光电式、磁敏式等。

它们各具特点，然而由于磁敏式霍耳位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点，故目前得到越来越广泛的应用。

当磁场中的导体有电流通过时，其横向不受到力的作用，同时还出现电压，这个现象后来被称为霍耳效应。

随后人们又发现，不仅是导体而且半导体中也存在霍耳效应。

并且霍耳电动势更明显，这是由于半导体有比导体更大的霍耳系数的缘故。

霍耳传感器按功能和应用可分为线性型和开关型两种

（1）线性型线性型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、输出级等部分组成，输入为变化的磁感应强度得到与磁场强度成线性关系的输出电压，可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。

（2）开关型开关型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。

输入为磁感应强度，输出为开关信号。

直流无刷电动机的转子位置检测器属于开关型的传感器。

直流无刷电机的霍耳位置传感器和电机的本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和传感器转子。

其转子与电机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置，即可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其它位置上另外安装永磁转子。

定子由若干个霍耳元件，按一定的间隔，等距离的安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。

位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数。

位置传感器的永磁转子每转过一对磁极（N、S几极）的转角，也就是说每转过360电角度，就要产生出与电动机绕组逻辑分配状态相对应的开关状态数。

以完成电动的一个换流全过程，如果转子的极对数越多，则在360机械角内完成该换流全过程的次数也就越多。

霍耳位置传感器必须满足以下两个条件：

（1）、位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度相等。

（2）、位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。

位置传感器输出的开关状态能满足以上条件，那么总可以通过一定的逻辑变换将位置传感器的开关状态与电动机的换相状态对应起来，进而完成换相。

对于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍耳元件的数量是3，安装位置应当间隔120电角度，其输出信号是Ha、Hb、Hc。

3.三相直流无刷电动机的换相原理

三相永磁无刷直流电动机转子位置传感器输出信号Ha、Hb、Hc在每360电角度内给出了6个代码，按其顺序排列，6个代码是101、100、110、010、011、001，其波形见图一。

当然这一顺序与电动机的转动方向有关，如果转向反了，代码顺序也就倒过来。

三相永磁无刷电动机的电子换相器主回路，也就是由6个功率开关元件组成的三相H形桥式逆变器。

请见下图二：

图三是三相永磁无刷直流电动机的定子绕组的结构示意图。

其中线A-X表示与A相绕组轴线相交的位置；线B-Y表示与B相绕组轴线相交的位置；线C-Z表示与C相绕组轴线相交的位置；显然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6个60的扇区，我们也把此图称作“定子空间的扇区图”。

可以通过两种不同的途径来分析无刷电动机的换相过程，一是利用刚刚提到‘定子空间示意图’来分析换相过程；二是通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。

无论是从定子空间扇区图还是从电动机定子绕组的反电动势来分析三相无刷电动机的换相过程。

所得的开关管的导通和关断状态与转子位置的关系都是相同的。

三、无刷电机的驱动控制

对于无刷电机驱动，现有两种方式：

一种是利用前面所介绍的位置传感器，经过逻辑电路的处理发面换相控制信号。

一种是利用测反电动势法，得知转子位置信号，然后送入泽码器来控制三个H桥的导通。

1、开环型无刷直流电动机的驱动控制。

其内部包括电子换相器主回路，一三相H形桥式逆度器，换相控制逻辑电路。

PWM调速电路，以及过流等保护电路。

（1）、换相控制逻辑电路。

三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器输出信号。

Ha.Hb.Hc.在每360电角度给出6个代码，换相控制逻辑电路接收转子位置传感器的输出信号。

Ha.Hb.Hc并对其进行泽码处理。

给出电子换相器主回路（三相桥式逆度器）中6个开关管的驱动控制信号。

三相霍耳输出的信号，给出的6个代码是101、100、110、010、011、001这一顺序与电机的转动方向有关转向有关，转向反了。

代码出现的顺序也就倒过来，所以，换相控制逻辑电路还应当接收电动机的转向控制信号DIR，这也是一个逻辑信号，高电平控制电机正转，正转，低电平控制电机反转。

（2）、PWM调速电路。

无刷电机，加上电子换相器，（包括换向器的主回路一逆变器和换相控制逻辑电路），从原理上说，就相当于一台有刷电机也就是说，电子换相器解决了无刷电机换相问题，但没有解决电动机的调速问题，需要脉宽调制电路来实现。

由换相控制逻辑电路输出的换相信号的频率与电机的转速有关，还与电机的磙钢极对数有关，无论何种情况下，换相控制信号的频率都远远低于PWM信号的频率。

因此，可以把PWM信号和换相控制信号通过逻辑“与”的办法合成在一起，通过调节PWM信号的占空比，来调节电动机的定子电枢电压，从而实现调速。

在任何时刻，在电子换相器的主回路一三相桥式逆度路中只有两个开关管导通，这两个开关管中的一个高压侧（1、3、5管中的一个），另一个在低压侧（2、4、6中的一个），也就是说，总是有高压侧的一个开关管与低压侧的一个开关管串联导通的，所以PWM信号只需与高压侧的三个开在管的控制信号通过逻辑“与”的办法合成在一起即可实现调压调速。

（3）、保护电路。

无刷电机在开环这行的情况下，最重要的保护就是过电流保护，一般在主回路中的直流母线一取得过电流反馈信号，在过电流环节与改定的保护值相比较，如果超过了保护值引起保护动作，一般是封锁逆度器中的开关管从而实现保护。

我个人认为自制马达，需要了解自己的需求再来自制马达比较好。

何为需求？

就是你想要用何种电池？

电压设定是多少？

要采用直驱或者是减速组？

再来就是耗电流及推力。

想要马儿好又要马儿不吃草，是不太可能的，只能在其中各有取舍。

　　我设定的自制马达规格如左：

使用7.4V1600mA锂电池，耗电在7A以内（马达功率约50W，电池放电系数约4.4C），采用直驱或减速皆可。

　　以上述条件，无刷马达应采用△接线铜损较小（因线电流=√3*相电流，故马达内线圈电流会较小，以相同的线径来说，铜损自然较小）。

　　我是采用AWG#28号线（直径0.32mm），每相每极绕21圈，采用△接线，使用7.4V1600mA锂电池。

以直驱测试，其数据如下：

　　螺旋桨测量转数（RPM）测量电池电流（A）测量马达线电流（A）换算马达相电流（A）计算功率（W）　　4040150006.2A3.6A2.1A45W　　5025130007.4A4.3A2.5A55W　　以减速组测试（58/18=3.2），其数据如下：

　　螺旋桨测量螺旋桨转数（RPM）换算马达转速（RPM）测量电池电流（A）计算功率（W）　　70606250200004.2A31W　　80605500176006.2A46W　　90705000160007.4A55W　　你知道你的直流马达输出多少马力吗?

　　为什么马达会过热?

是否扭力不足?

　　以下计算可以让你更了解你的马达.　　只要你有转速表,电压表,电流表,就可以知道你的马达是否在最佳状态下工作.　　无刷马达/有碳刷马达效能计算　　扭力常数:

Kt=Kbx1.345　　Kt=1345/kv　　消耗电流:

I=[V-（KbxkRPM）]/Rm　　I=[V-（RPM/kv）]/Rm　　输出扭力:

J=（KtxI）-（KtxInl）　　每分钟转速:

kRPM=（V-RmI）/Kb　　kRPM=（V-RmI）xkv/1000　　输出功率:

Po=（JxRPM）/1345　　消耗功率:

Pi=VxI　　马达效率:

Eff=（Po/Pi）x100　　最高效率电流:

Iemax=Sqrt[（VxInl）/Rm]　　符号定义:

　　Eff=效率　　I=消耗电流值　　Iemax=发挥最高效率之电流量　　Inl=无负载量测电流值　　J=扭力（oz-in）　　Kb=电压常数（Volt/1000RPM）　　Kt=扭力常数（oz-In/A）　　Pi=消耗功率（Watts）　　Po=机械输出功率（Watts）　　Rm=马达内阻　　RPM=每分钟转速　　V=电压　　kv=电压常数（RPM/V）　　1oz-In=72g-cm=7.07mN.m　　1HP=735.5W　　无刷马达范例:

　　以MEGA16/25/3为例,kt=1700rpm,Rm=0.017Ohm　　计算前需做以下量测　　假设以7.2V驱动空转,量得转速为12200rpm,电流为26A,装置8x5桨转速为10900rpm,电流为20A　　kt=1345/kv=0.7912oz-In/A　　I=[V-（RPM/kv）]/Rm=[7.2-（10900/1700）]/0.017=46.36A　　J=（KtxI）-（KtxInl）=（0.7912x46.36）-（0.7912x26）=16.109oz-In　　kRPM=（V-RmI）xkv/1000=（7.2-0.017x46.36）x1700/1000=10.900kRPM=10900RPM　　Po=（JxRPM）/1345=（16.109x10900）/1345=130.55W　　Pi=VxI=7.2x20=144W　　Eff=（Po/Pi）x100=（130.55/144）x100=90.66%　　Iemax=Sqrt[（VxInl）/Rm]=Sqrt[（7.2x26）/0.017]=104.9A　　碳刷马达范例:

　　以RS-540SH/SF为例,kt=1458rpm,Rm=0.324Ohm　　假设以12V驱动空转,量得转速为17500rpm,电流为0.95A,装置负载转速为15080rpm,电流为5.93A　　kt=1345/kv=0.9225oz-In/A　　I=[V-（RPM/kv）]/Rm=[12-（15080/1458）]/0.324=5.1144A　　J=（KtxI）-（KtxInl）=（0.9225x5.1144）-（0.9225x0.95）=3.84oz-In　　kRPM=（V-RmI）xkv/1000=（12-0.324x5.1144）x1458/1000=15.080kRPM=15080RPM　　Po=（JxRPM）/1345=（3.84x15080）/1345=43.05W　　Pi=VxI=12x5.93=71.16W　　Eff=（Po/Pi）x100=（43.05/71.16）x100=60.5%　　Iemax=Sqrt[（VxInl）/Rm]=Sqrt[（12x0.95）/0.324]=5.93A[本帖最后由挺OK个人于2008-7-714:

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无刷电机

无刷电机

　　无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。

　　电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：

接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

　　由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

　　中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。

因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。

　　近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。

　　无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。

　　无刷电机在我国的发展时间较短,便随着技术的日益成熟与完善得到了迅猛发展。

已在航模、医疗器械、家用电器、电动车等多个领域得到广泛应用，并在深圳、长沙、上海等地形成初具规模产业链

直流无刷电动机为了实现无电动刷换向，首先要求把一股直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上。

这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。

但仅这样做还是不够，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。

　　所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换向装置，使直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（n／2）rad左右的电角度，从而使电机能不停地运转。

*容量范围大:

标准品可达400kW,更大容量可以订制.

*电压种类多:

直流供电,交流高低电压均不受限制.

*低频转矩大:

低速可以达到理论转矩输出,激活转矩可以达到两倍或更高.

*高精度运转:

不超过1 rpm.（不受电压变动或负载变动影响）.

*高效率:

所有调速装置中效率最高,比传统直流电机高出5~30%.

*调速范围:

简易型/通用型（1:

10）,高精度型（1:

100）,伺服型.

*过载容量高:

负载转矩变动在200%以内输出转速不变.

*体积弹性大:

实际比异步电机尺寸小,可以做成各种形状.

*可设计成外转子电机（定子旋转）.

*转速弹性大:

可以几10转到106转.

*制动特性良好,可以选用四象限运转.

*可设计成全密闭型,IP-54,IP-65,防爆型等均可.

*允许高频度快速激活,电机不发烫.

*通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同,易于技术改造.

5二种电机在不同控制方式下的比较二种电机在不同控制方式下的效率比较。

6--依托无刷直流电动机

无刷直流电动机具有高效率,高精度,高转矩三高特性,能够轻松取代带速反馈的进口矢量控制变频器（或直接转矩控制）,变频电机,直流有刷电机等;同时也可以取代不需高精度定位的伺服控制器,外形图如图6所示。

是目前产业自动化与节电现代化的最重要驱动装置之一。

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无刷直流电机产品规范

容量范围:

 ~ 400 kW

极    数:

2 ~ 48 极

电    压:

直流电压,电瓶电压,单相,三相交流高低压可选.

频    率:

50,60,400 Hz ,直流.

框    号:

标准品45~355M,非标产品欢迎订制.

保护方式:

IP-44/IP-54

速度指令:

电位器,0~5V,4~20mA,RS-485

加减速时间:

0.1 ~ 120S

绝缘等级:

B级绝缘（F极可选）

控制方式:

PWM （载波频率2~18 K Hz）

最低转速:

通用型150rpm,高精度型可更低.

最高转速:

100 ~ 30,000 rpm可选.

转速精度:

±1 rpm/最高转速

调速范围:

1:

10,高精度型1:

100.

最大转矩:

150%.

转矩特性:

恒转矩输出特性

激活转矩:

通用型:

200%,电瓶车:

400%,牵引电机:

600%.

制动转矩:

20%以上,更高能力可选.

返馈装置:

三相霍尔（相差120°）.高精度及伺服型用光码盘.

基本功能:

正反转,多段速度.

7--无刷直流电机与传统直流有刷电机的比较

   无刷直流电机因为没有碳刷与换向器,所以没有维修与保养的需要;由于采用永磁转子,没有激磁损耗的问题,综合效率高出10~20%左右（依据功率大小而定）,低速转矩更大,激活转矩可达额定3倍,转速精度可达1/3000,不受电压与负载变动的影响.电机可以做成密闭型或防尘防爆型等结构.因此能够完全取代传统有刷直流电机,而且运转费用更低,没有保养维修的烦恼，无刷直流与有刷直流及欧盟CEMED标准的效率比较请参见图7。

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8 无刷直流电机与异步机加变频器的比较

    虽然当今交流变频调速非常普遍,但是变频调速受限于异步电机的低效率,电机运转在低速时转矩变小,谐波损耗大,速度变动率大,动态性能不佳等缺失;虽然采用速度死循环矢量控制或直接转矩控制变频器时其可以满足性能需要,但是购置费用偏高,而且异步电机的效率,功因,低速发热仍然无法改善.

我们在注塑机行业与变频器节能改造作比较,无刷直流电机的综合节电率比交流变频要高出20%以上,注塑机没有降低生产速度（变频器降低约3%）,电机温升相差20℃.

    在风机水泵压缩机的负载上应用,功率--速度曲线实际上应该达到三次方关系,但使用变频器驱动异步电机其曲线可能只有平方比例或稍差;采用无刷直流电机驱动其曲线可以接近三次方曲线特性,节电效果更好.

 典型高效率异步电机及变频器驱动后的效率曲线图如图8所示  

永磁无刷直流电机因其无机械电刷与换向器，可靠性高；体积小，重量轻；且控制较简单，效率高，而广泛应用于航空航天等对动静态性能有较高要求的场合。

传统的无刷直流电机调速系统中，变换器多采用桥式拓扑，包括半波和全波电路（H桥）。

半波电路比全波电路使用的功率器件数目少（每相只有一个功率开关），但电机只能在两象限运行，限制了应用场合。

全波电路使用较多的功率开关（每相有两个功率开关）解决了四象限运行的问题，但它存在桥臂直通的可能性使之可靠性降低。

折衷这两种电路，出现了电容储能型（c-