无刷直流电动机工作原理

在实际应用中，永磁无刷直流电动机多采用三相桥式功率主电路形式，但为了便于说明，先从三相半桥式主电路开始分析其运行原理。

（一）三相半桥式主电路

如图3-18所示为三相半桥式永磁无刷直流电机（P=1），3只光电式位置传感元件H1、H2、H3空间互差120°均匀分布，宽180°缺口遮光圆盘与电动机转子同轴安装，调整圆盘缺口与转子磁极的相对位置，使缺口边沿能反映转子磁极的空间位置。

图3-18　三相半桥式永磁无刷直流电机

该缺口位置使光电元件H1受光而输出高电平，触发导通功率开关VT1使直流电流流入A相绕组AX，形成位于A相绕组轴线上的电枢磁势。此时圆盘缺口与转子磁极的相对位置被调整得使转子永相绕组平面磁势Ff位于B相绕组B-X平面上所示，如图3-19（a）所示两者相互作用产生驱动转矩，驱使转子顺时针旋转。当转子磁极转至如图3-19（b）所示的位置时，如仍保持A相绕组通电，则电枢磁势Ff的空间角度将减为30°并继续减小，最终造成驱动转矩消失。而同轴安装的旋转圆盘同步旋转，此时正好使光电元件H2受光，H1遮光，从而功率开关VT2导通，电流从A相绕组断开转而流入B相绕组B-Y，电流换相，电枢磁势变为Fb，它又在旋转方向上重新领先永磁磁势Ff 150°相，两者相互作用产生驱动转矩，驱使转子顺时针继续旋转。当转子磁极旋转到如图3-19（c）所示的位置时，又发生电枢电流从B相向C相的换流，保证了电磁转矩的持续产生和电动机的继续旋转，直至重新回到如图3-19（d）或图3-19（a）所示的起始位置。

图3-19　各相绕组通电顺序及电枢磁势位置图

同轴安装转子位置检测圆盘的作用使定子各相绕组在位置检测器的控制下依次馈电，其相电流为120°宽的矩形波，如图3-20所示。这样的三相电流使得定子绕组产生的电枢磁场和转动中的转子永磁磁场在空间始终能保持近似垂直的关系，为最大限度地产生转矩创造了条件。同时，经历换相过程的定子绕组电枢磁场不是匀速旋转磁场，而是跳跃式的步进磁场，转子旋转一周的范围内有3种磁状态，每种状态持续1/3周期（120°电角度）。由此产生的电磁转矩存在很大的脉动，尤其低速运行时会使转速波动。为了解决这个问题，只有增加转子一周内的磁状态数，此时应采用三相桥式主电路结构。

（二）三相桥式主电路

三相桥式主电路如图3-21所示，功率电子开关为标准三相桥式结构，上桥臂元件VT1、VT3、VT5给各相绕组提供正向电流，产生正向电磁转矩；下桥臂元件VT2、VT4、VT6给各相绕组提供反向电流，在相同极性转子永磁磁场作用下将产生反向电磁转矩。功率元件通电方式有两两通电方式（120°导通型）和三三通电（180°导通型）方式，其输出转矩大小不同。

图3-20　三相半桥式主电路各相绕组电流波形

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图3-21　三相桥式主电路

图3-22　两相通电方式下三相桥式主电路中各相绕组电流波形

（1）两两通电方式

所谓两两通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管，不同桥臂之间左右换相。每个功率管导通120°电角度。功率管的导通顺序依次为：VT1、VT2；VT2、VT3；VT3、VT4；VT4、VT5；VT5、VT6；VT6、VT1；…在这种通电方式下各导通120°电角度，每个相绕组又与两个开关元件相连，各相绕组会在正、反两个方向均流过120°宽的方波电流，三相绕组中电流波形如图3-22所示。

由于任一时刻均有一个上桥臂元件导通使某相绕组获得正向电流，产生正转矩，又有一个下桥臂元件导通使另一相绕组获得反向电流产生负转矩，此时的合成转矩应是相关相绕组通电产生的正负转矩的矢量和，如图3-23所示。合成转矩是一相通电时所产生转矩的倍，每经过一次换相合成转矩方向转过60°电角度。一个输出周期内转矩要经历6次方向变换，从而使转矩脉动比三相半桥主电路平缓得多。

图3-23　Y接绕组两两通电时合成转矩

（2）三三通电方式

所谓三三通电方式是指每一瞬间有3个功率管导通，每隔1/6周期（60°电角度）换相一次，每次换相是同一桥臂的上下管之间换相。每个功率管导通180°电角度。功率管的导通顺序依次为：VT1、VT2、VT3；VT2、VT3、VT4；VT3、VT4、VT5；VT4、VT5、VT6；VT5、VT6、VT1；VT6、VT1、VT；…这种方式运转一个周期，转子合成驱动转矩的图示与两两方式下的是一致的，均为6种状态，不同的是此时的合成转矩的幅值是单相绕组转矩幅值的1.5倍，这是由于三相电流同时作用的结果。电动机在运行过程中的转矩矢量合成图如图3-24所示。

虽然三相永磁无刷直流电动机是应用最广泛的一种，但人们从减少转矩的脉动、扩大单机容量等角度出发，开发出了多相电动机，如四相、五相，甚至十相、十二相电动机。为了提高电动机绕组的利用率，应采用多相同时通电运行的方式。

图3-24　三相转矩合成图