直流無刷電機

直流無刷電機(Bruhle 3356 direct   current   motor, referred to a bruhle DC motor)由方波電流驅(qū)動、可以將DC能量轉(zhuǎn)化為機械能(直流電動機) 或?qū)C械能轉(zhuǎn)化為直流電能(直流發(fā)電機)并且不包含碳刷，由定子組成、轉(zhuǎn)子和電機控制部分，由方波電流控制和驅(qū)動，并控制逆變器功率管使其按規(guī)定的規(guī)律導(dǎo)通、當電機斷開時，定子電樞會產(chǎn)生一個磁勢，以60°的電角度不斷前進，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)有兩種控制方法開環(huán)和閉環(huán)兩者最大的區(qū)別就是沒有碳刷，安全、無磨損和良好的調(diào)速性能，在電子數(shù)字、工業(yè)控制、醫(yī)療、它已廣泛應(yīng)用于汽車和其他領(lǐng)域。

無刷電機由轉(zhuǎn)子組成、定子和電機控制部分，其中轉(zhuǎn)子的主要部分是永磁體，定子包括線圈繞組和鐵芯，電機控制部分包括相位檢測、換向元件和無刷電機控制器。除了電子換向部分，DC無刷電機的結(jié)構(gòu)相對簡單。無刷DC電機是在永磁無刷DC電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有機電一體化的特點。隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，DC無刷電機的控制電流波形已經(jīng)從方波發(fā)展到較為平滑的正弦波和同步控制，無刷電機的同步運行也稱為同步電機。目前，DC無刷電機僅包含單一方波電流輸入，不涉及同步控制技術(shù)。與永磁DC無刷電機相比，DC無刷電機具有更高的功率密度、峰值效率、運行壽命、可靠性、結(jié)構(gòu)魯棒性更強，但控制器的成本略遜一籌。

DC無刷電機的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，主要由電機本體組成、內(nèi)置轉(zhuǎn)子位置傳感器和加在轉(zhuǎn)軸上的速度傳感器由三部分組成。

電動機本體

電機本體由定子和轉(zhuǎn)子組成。

定子：定子部分是電機的電樞，上面有槽槽的數(shù)量取決于轉(zhuǎn)子的極數(shù)和相數(shù)，它們是極數(shù)和相數(shù)的整數(shù)倍。對稱的多相繞組纏繞在定子的鐵芯中(繞組的相數(shù)不固定，一般為三相或四相，也有兩相或五相)繞組可以星形或角形連接，每個相繞組分別與逆變器中的每個開關(guān)管連接。

轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子的主要部分是具有一定數(shù)量磁極的永磁體，由永磁材料制成，用于在電機的氣隙中建立具有一定強度的磁場。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可以采用凸極式或嵌入式，如下圖所示。

凸極式(外裝式)在轉(zhuǎn)子外表面貼一塊扇形永磁體，這就是凸極轉(zhuǎn)子它的主要優(yōu)點是電樞電感小，齒槽轉(zhuǎn)矩小，但也有一些缺點：氣隙磁通密度低、磁通不集中且易受電樞反應(yīng)的影響，因此凸極轉(zhuǎn)子常用于容量較小的低速電機。

內(nèi)嵌式(內(nèi)裝式)矩形永磁體嵌入轉(zhuǎn)子的鐵芯中，即嵌入式轉(zhuǎn)子與凸極轉(zhuǎn)子相比，它的主要優(yōu)點是氣隙磁通密度大、磁通集中，不易受電樞反應(yīng)的影響，但也有電樞電感大，齒槽轉(zhuǎn)矩大的缺點，所以在大容量的高速電機中常采用嵌入式轉(zhuǎn)子。

轉(zhuǎn)子位置傳感器

轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要功能是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子電樞繞組軸線的位置，從而向逆變電路提供正確的換向信息電機控制器通過將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸給電機控制器，根據(jù)獲得的位置信息控制定子繞組的換向，從而保證電機定子繞組中的電流根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化有序換向，從而在電機氣隙中形成步進旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

無刷DC電機中常用的轉(zhuǎn)子位置傳感器主要包括霍爾位置傳感器、電磁位置傳感器、磁敏位置傳感器和光電位置傳感器。其中，霍爾位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小不占空間、易于安裝、易于機電一體化等優(yōu)勢，占據(jù)著越來越大的市場。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器

為了通過速度和電流的雙閉環(huán)系統(tǒng)控制無刷電機，可以在轉(zhuǎn)子上安裝增量式光電脈沖編碼器，以獲得無刷電機中轉(zhuǎn)子的速度有 M 種測量轉(zhuǎn)子速度的方法、T法、M/T 方法和鎖相方法。

DC無刷電機由方波電流驅(qū)動和控制在方波電流的作用下，逆變器功率管根據(jù)方波的高低而導(dǎo)通或關(guān)斷，使電機的定子電樞產(chǎn)生一個以60度電角度保持前進的磁場，從而驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。下圖顯示了方波控制電流和相應(yīng)的磁通密度分布、相反的電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩波形。

最常見的工作模式是三相橋六態(tài)工作模式，在360（電氣角）在一個電周期中，三相繞組有六種導(dǎo)通狀態(tài)，可分為六段。三相繞組的三端連接到由六個大功率開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器的三個橋臂當繞組以星形連接時，在任何時刻，三相繞組中必須只有兩個繞組串聯(lián)，其中一個正向?qū)?，另一個反向?qū)?。以任何一相繞組為例，它在一個電周期內(nèi)正向?qū)ā⒎聪驅(qū)?、不?dǎo)通的各占三分之一。

控制電路組成  

無刷DC電機的基本控制結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。無刷DC電機必須配備電子控制器以實現(xiàn)繞組的電子換向。無刷電機的控制電路包括電子換向電路、其中電子換向電路部分由換向信號處理電路組成、轉(zhuǎn)子位置傳感器電路和電源開關(guān)電路。

轉(zhuǎn)子位置傳感器電路：位置傳感器電路為包括光電傳感器在內(nèi)的位置傳感器提供激勵、霍爾傳感器為電磁傳感器提供穩(wěn)定的低壓DC電源和高頻交流激勵電源。

位置傳感器電路不僅接收位置傳感器的輸出信號，而且放大它、只有通過整形才能得到矩形波信號，并送到控制電路。對于無傳感器控制模式，需要單獨從電機獲得一些信息，并通過特定的電路和軟件計算并獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。

換向信號處理電路：換向信號處理電路對位置傳感器信號和控制信號進行綜合運算和邏輯處理，以獲得每相繞組的導(dǎo)通順序和適當導(dǎo)通角的邏輯信號，并將其提供給功率開關(guān)電路。

功率開關(guān)電路：電源開關(guān)電路由逆變器橋電路組成、功率開關(guān)的柵極（或基極、門極）驅(qū)動電路、一個續(xù)流電路和一個吸收電路。通過電源開關(guān)裝置（如GTR、MOFET、IGBT或電源模塊）橋式逆變電路或非橋式開關(guān)電路與電機的三相繞組相連，以接通或斷開相繞組，實現(xiàn)各相繞組的正確換相并完成控制指令。絕大多數(shù)功率開關(guān)電路都工作在開關(guān)模式。只有在少數(shù)情況下的小功率無刷DC電機，其功率晶體管才處于放大工作狀態(tài)。

開環(huán)、閉環(huán)控制

無刷DC電機可以采用開環(huán)控制系統(tǒng)或閉環(huán)控制系統(tǒng)。

直流無刷電機

開環(huán)控制：開環(huán)控制系統(tǒng)相對簡單，僅通過轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置信息，從而保證轉(zhuǎn)子位置與電機同步。電機的速度和電流取決于電機和驅(qū)動負載的機械特性。當電壓或負載波動時，電機的轉(zhuǎn)速也會有一定程度的波動，這無法通過控制保持穩(wěn)定。

閉環(huán)控制：常見的速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)可以監(jiān)測轉(zhuǎn)子速度、利用相電流的反饋信息調(diào)節(jié)控制電流，可以獲得更好的控制效果和更完善的控制功能，實現(xiàn)一定程度的穩(wěn)速或調(diào)速控制。

該系統(tǒng)的工作原理：在外部，給定控制系統(tǒng)中電機的目標速度，即系統(tǒng)的控制目標轉(zhuǎn)子位置傳感器電路處理測得的轉(zhuǎn)子位置信息以獲得轉(zhuǎn)子的當前速度目標速度值和速度反饋值之間存在一定的差異，將兩者相減即可得到速度差PI可以通過速度調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)（比例和積分）調(diào)節(jié)，以輸出電流回路的給定值（基于目標速度的目標電流）同樣，將其與電流傳感器獲得的電流反饋值進行比較，以獲得電流差，然后由電流調(diào)節(jié)器進行調(diào)整輸出調(diào)節(jié)信號在PWM電路中被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM脈沖寬度，然后轉(zhuǎn)子位置信號被合成以產(chǎn)生每相所需的PWM控制信號。PWM控制信號被發(fā)送到基座（或柵極、門極）驅(qū)動電路驅(qū)動三相逆變橋電路使相應(yīng)的功率開關(guān)器件工作，并通過合適的PWM占空比驅(qū)動電機繞組。

此外，速度電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)還將利用轉(zhuǎn)子位置反饋信息對電流傳感器信號進行采樣，以形成代表電機扭矩的合成電流信號，并始終保持反電動勢和相電流的相位一致。

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)可確保電機處于電壓狀態(tài)、在負載變化或外部噪聲干擾的情況下，系統(tǒng)會自動調(diào)整以使其速度始終與目標速度保持一致。

電子數(shù)碼

無刷DC電機因其體積小功率密度高而廣泛應(yīng)用于日常辦公機器中（打印機、傳真機、復(fù)印機）和電子數(shù)字消費品（硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、電影攝影機、磁帶記錄儀）中。

工業(yè)控制領(lǐng)域

無刷DC電機的高效率、強大的過載能力，在牽引系統(tǒng)中表現(xiàn)出色，同時在紡織方面也表現(xiàn)出色、冶金、印刷、自動化生產(chǎn)線、無刷DC電機用于工業(yè)生產(chǎn)，如數(shù)控機床。

醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域

無刷DC電機無機械換向器，采用全封閉結(jié)構(gòu)，可防止灰塵進入電機，可靠性高。用于驅(qū)動人工心臟中的小型血泵、用于外科高速儀器的高速離心機、無刷DC電機用于熱像儀和溫度計的紅外激光調(diào)制器。

汽車領(lǐng)域

隨著汽車工業(yè)向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，新能源汽車用電機也必須滿足高效率、低能耗的標準。無刷DC電機的低噪聲、壽命長、無火花干擾、方便集中控制等優(yōu)點完全滿足汽車應(yīng)用要求除了用于驅(qū)動電車的電機外，雨刮器中還使用了無刷DC電機、電動車門、汽車空調(diào)、電動窗和其他部件也有應(yīng)用。