2 无刷直流电机的特点和原理

2。1 无刷直流电机的历史和优势

无刷直流电机（Brushless  DC  Motor,  BLDCM），在某些场合也被称为电子换向电机

（Electronically Commutated Motor, ECM），是一种使用电子换向装置取代电刷与滑环结构的 直流同步电机。早在 1955 年，美国的 Harrison 和 Rye 就在历史上第一次申请通过了一种使用 晶体管换向电路替代电刷滑环换向装置的专利，这也是是无刷直流电机的鼻祖[1]。虽然这种 双转子共轴结构的电机与现代意义上的无刷直流电机还有很大区别，但是却迈出了探索无刷 化换向的第一步。1978 年，原联邦德国 Mannesmann 公司在汉诺威贸易展览会上推出了名为 MAC 的无刷直流电机及其驱动器，意味着无刷直流电机进入了真正的实用阶段[2]。随着工程 技术的不断发展和电子产业的不断繁荣，此后数十年间，方波无刷直流电机和正弦波无刷直 流电机先后研制成功，大大提高了无刷直流电机的性能，从而使无刷直流电机逐渐成为一种 重要的直流同步电机得到广泛应用[3]。

传统的有刷直流电机采用电刷滑环式的电枢电流换向结构，这样会存在机械摩擦，不仅 产生噪音，还会产生换向火花以及由此带来的无线电干扰，可靠性不良。另外，由于电刷滑 块多为石墨制成，使用一段时间磨损超限后需及时更换，带来维护上的不便和工作效率的下 降。在电机结构方面，永磁体或励磁线圈构成的定子提供磁场，电枢绕组则位于转子上，这 使得电机整体结构更加复杂，进一步降低了可靠性。这些都限制了直流电机的使用范围和应 用场景。

无刷直流电机最大的创新在于使用电子化的开关电路进行电枢电流的换向，从而根本上 解决了由于电刷滑环结构的机械换向带来的种种问题。除了结构紧凑、效率高、易于维护、 寿命长等优点外，由于位置传感器的引入，带来了控制上的更多可能。在结构方面，定子包 含有电枢绕组，而转子得益于材料科学的发展通常做成永磁体，相对于电枢绕组安装在转子 的有刷直流电机，这样的结构不仅更加简洁可靠，也有利于散热和维护。

2。2 无刷直流电机的结构

无刷直流电机的结构如图 2。1 所示，主要由四大部分组成[4]：

图 2。1 无刷直流电机的结构

2。2。1 电机本体

电机本体由定子以及转子两部分构成。定子由嵌于铁心的单相或多相电枢绕组构成，它 们顺序通电时就会产生旋转的磁场。为了便于控制，绕组多采用“Y 接法”，即“三相对称， 无中性点”。转子则由若干极数对的永磁体构成，常用高剩磁感应密度、高矫顽力的汝铁硼永 磁体材料制成，为了减小转矩波动，磁极常常采用表面粘贴的形式安装在转子上。

2。2。2 转子位置传感器

无刷电机的换向是通过电子电路改变电流的方向实现的，而换向的时机则需要根据转子 的位置来确定。为了实时准确检测转子的位置，需要位置传感器的参与。位置传感器将转子 的位置信号转化为电信号送至控制器，从而使逆变器为定子电枢绕组提供随转子位置换向的 电流，在定子与转子之间的气隙中产生旋转磁场，使得转子能够连续转动。在每一个电周期 区间内，位置传感器产生相对应的信号（可称为开关状态数），也就是转子每转过一对磁极的 转角时，就产生定子绕组下一步换向所需的开关状态数。利用电磁感应元件、磁敏元件、光 电元件均可以设计出位置传感器，目前最广泛应用的转子位置传感器是磁敏式。霍尔位置传 感器就是典型的磁敏式位置传感器，广泛用于无刷直流电机转子位置的实时检测。文献综述