直流电机的结构与控制性能分析

本节讲的直流电机指直流电动机，分为直流有刷电机和直流无刷电机两种。

直流有刷电机（见图2-3）是典型的同步电机，由于电刷的换向使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩（也称扭矩、力矩或者扭力），使电机运转。但由于采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、电磁干扰以及寿命减短等缺点，再加上制造成本较高以及维修困难等不足，从而大大限制了直流有刷电机的应用范围[16]。随着高性能半导体功率器件的发展和高性能永磁材料的问世，直流无刷电机（其结构如图2-4所示）技术与产品得到了快速的发展。由于直流无刷电机既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多长处，因而得到了广泛的应用[17]。

图2-3　直流有刷电机

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图2-4　直流无刷电机

从结构上分析，直流无刷电机和直流有刷电机比较相似，两者都有转子和定子。只不过两者在结构上相反，有刷电机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了直流有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，所以称其为直流无刷电机[18]。

直流无刷电机的运行原理为：依靠改变输入到直流无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，实现电机输出轴转动。电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与直流无刷电机的控制性能有关，因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相的交流电。

直流无刷电机按照是否使用传感器分为有感的和无感的[19]。有感的直流无刷电机必须使用转子位置传感器来监测其转子的位置。直流无刷电机的输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定子、转子部分组成，转子位置传感器的转子部分与电机本体同轴，可跟踪电机本体转子的位置；转子位置传感器的定子部分固定于电机本体定子或端盖上，以感受和输出电机转子的位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、精度、响应速度、工作温度、抗干扰能力、损耗、体积、重量、安装方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等，其中最常用的是霍尔磁敏传感器。