无刷直流电机结构和类型

（一）基本结构

无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言，可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路3部分组成的“电动机系统”。其基本结构如图3-14所示。

电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机，它包括主定子和主转子两部分。主定子上放置空间互差120°的三相对称电枢绕组AX、BY、CZ，接成星形或三角形。主转子是用永久磁钢制成的一对磁极。转子位置传感器也是由定子和转子两部分组成。定子安装在主电动机壳内，转子和主转子同轴旋转。它的作用是把主转子的位置检测出来，变成电信号去控制电子开关电路，也称转子位置检测器。电子开关电路中的功率开关元件分别与主定子上各相绕组相连接，通过位置传感器输出的信号，控制三极管的导通和截止，从而使主定子上各相绕组中的电流也随着转子位置的改变，按一定的顺序进行切换，实现无接触式的换向。

1.电动机本体

无刷直流电动机是将普通直流电动机的定子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁，产生气隙磁通；定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机类似。

无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同。在铁芯中嵌入多相绕组（三相、四相、五相不等），绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，根据磁极中磁性材料所放位置的不同可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机，因此，习惯上把无刷直流电动机称为永磁无刷直流电动机。

2.转子位置传感器

转子位置传感器是无刷直流电动机的一个关键部件。可根据不同的原理构成如电磁感应式、光电式、磁敏式等多种不同的结构形式。其中，电磁感应式工作可靠，维护简便，寿命长，应用较多。转子位置传感器决定着电枢各相绕组开始通电的时刻。它的作用相当于一般直流电动机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻（相位），相当于直流电动机中改变电刷在空间的位置，对无刷直流电动机的特性有很大的影响。

位置传感器一般也是由定子和转子两部分组成。转子是用来确定电动机本体磁极的位置，定子的安放是为了检测和输出转子的位置信号。传感器种类较多，且各具特点。目前，在无刷直流电动机中常用的位置传感器有以下3种形式：

（1）电磁式位置传感器

电磁式位置传感器是一种利用电磁效应来实现位置测量的传感元件，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种形式，其中开口变压器使用较多。

电磁式位置传感器的定子由原边线圈与副边线圈绕在同一铁芯组成，转子则由一个具有一定角度（近似电动机的导通角）的导磁材料组成，该导磁材料可由铁氧体或硅钢片制成。在线圈的原边Wl端输入高频激磁信号，在副边线圈中感应出耦合转子铁芯与定子铁芯相对位置的输出信号，Wa经过电子线路处理，变成与电动机定子、转子位置相对应的电平信号，再经整形处理，就得到了电动机的换向信号，而没有耦合转子铁芯的定子线圈Wb、Wc均无信号输出。

图3-14　无刷直流电动机的基本结构

电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点，但这种传感器信噪比较低、体积较大，且其输出波形为交流，一般需经整流、滤波后方可使用，极大地限制了其在普通情况下的应用。

（2）磁敏式位置传感器

磁敏式位置传感器利用电流的磁效应进行工作，所组成的位置检测器由与电机同轴安装、与电机转子同极数的永磁检测转子和多只空间均匀分布的磁敏元件构成。目前常用的磁敏元件为霍尔元件或霍尔集成电路，它们在磁场作用下会产生霍尔电势，经整形、放大后即可输出所需电平信号，构成了原始的位置信号。如图3-15所示为霍尔集成电路及其开关型输出特性。

图3-15　霍尔集成电路及其开关型输出特性

图3-16　四极电动机的霍尔位置检测器

为了获得3组互差120°电角度、宽180°电角度的方波原始位置信号，需要3只在空间互差机械角度分布的霍尔元件，其中互为电机极对数。如图3-16所示给出了一台四极电动机的霍尔位置检测器完整结构，3个霍尔元件H1、H2、H3在空间互差60°机械角度分布。当永磁检测转子依次经过霍尔元件时，根据极性的不同，产生出三相互差120°电角度、宽180°电角度的方波位置信号，它正好反映了同轴安装的电动机转子磁极的空间位置信息。经整形电路和逻辑电路后，输出6路功率电子开关的触发信号和逻辑电路。霍尔位置检测器是永磁无刷直流电动机中采用较多的一种。

（3）光电式位置传感器(www.xing528.com)

这是一种利用与电动机转子同轴安装、带缺口旋转圆盘，对光电元件进行通、断控制，以产生一系列反映转子空间位置脉冲信号的检测方式。由于三相永磁无刷直流电动机一般每1/6周期换相一次，因此只要采用与电磁式或霍尔式位置检测相似的简单检测方法即可，不必采用光电编码盘的复杂方式。简单光电元件由红外发光二极管和光敏三极管构成，如图3-17所示。当元件凹槽内光线被圆盘挡住时，光敏三极管不导通；当凹槽内光线由圆盘缺口放过时，光敏三极管导通，以此输出开关型的位置信号。圆盘缺口弧度及光电元件空间布置规律和开口变压器式位置检测器相同。

除了以上3种位置传感器外，还有正弦、余弦旋转变压器和光电编码器等其他位置传感元件，但成本高、体积大、线路复杂，较少采用。由于位置传感器有机械安装、维护及运行可靠性等问题，因此，近年来出现了元位置检测器。元位置传感器检测技术的成功运用解决了位置传感器安装难的问题，而且减小了体积，提高了可靠性，受到国内外的普遍关注。目前较为常用的方法有反电动势检测法、续流二极管工作方式检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。

必须注意：通过各种方法所得到的位置信号一般不能直接用来控制功率管的通断，需要经过一定的逻辑处理后才能作用于逻辑控制单元。

3.电子换向电路

无刷直流电动机的电子换向线路用来控制电动机定子绕组通电的顺序和导通的时间，主要由功率开关管和逻辑控制电路组成。功率开关管是核心部分，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电动机定子的各项绕组，从而使电动机产生持续不断的转矩。逻辑控制电路是将通过位置检测得到的信号，根据需要转化成相应的脉冲信号去驱动功率开关管。目前，无刷直流电动机的主开关一般采用IGBT或M0sFET等全控型器件，有些主电路已经有了集成功率模块（PIc）和智能功率模块（IPM），它们的应用可以使整个系统的可靠性大幅度提高。

（二）无刷直流电动机的类型与特点

1.类型

近年来出现的无刷直流电动机用晶体管开关电路和位置传感器代替电刷和换向器。无刷直流电动机的类型按晶体管开关电路的不同可分为桥式和非桥式两种；按所使用的位置传感器形式的不同可分为光电式、电磁式、磁敏元件式和接近开关式等。

2.特点

无刷直流电动机作为电动汽车用电动机，具有以下优点：

①外特性好，符合电动汽车的负载特性，尤其是具有低速大转矩特性，能够提供大的启动转矩，满足电动汽车的加速要求。

②可以在低、中、高宽速度范围内运行，而有刷电动机由于受机械换向的影响，只能在中低速下运行。

③效率高，尤其是在轻载车况下，仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的。

④过载能力强，比Y系列电动机可提高过载能力两倍以上，满足电动汽车的突起转矩需要。

图3-17　简单光电元件的结构

⑤再生制动效果好，无刷直流电动机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电机状态，给电池充电，同时起到电制动作用，减轻机械刹车负担。

⑥体积小、质量轻、比功率大，可有效地减轻质量、节省空间。

⑦无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电动机内部，可靠性高。

⑧控制系统比异步电动机简单。

无刷直流电动机的缺点是电动机本身比交流电动机复杂，控制器比有刷直流电动机复杂。