无刷直流电机的原理与应用

何剑文

摘 要：无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，是一种集电机和电子一体化的高新技术产品，不仅具有体积小、重量轻、效率高、控制精度高等有点，同时还保留了普通直流电机优良的机械特性。因此，本论文介绍了无刷直流电机的结构、工作原理和性能特点，分析无刷直流电机的优越性和使用方向，展望其发展前景。

关键词：无刷直流电机 性能和使用 应用场景

引 言

随着人类社会的进步，现代家庭生活对家用电器的种类、性能、品质提出了更高的要求。特别是带有调速电机的各种家用电器对电机的转矩性能、运行平稳度、调速范围、以及能效、噪音等都提出更高的要求。随着半导体工业，特别是电子器件及微控制器的发展，变速驱动变得更加现实且成本更低。由此可见，直流无刷电机相对于其它类型电机来说是一种新型电机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关，因此，对无刷直流电机及其控制的方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。

1、无刷直流电机的系统结构及工作原理

1.1无刷直流电机的组成。无刷直流电机与有刷直流电机相似，它具有旋转的磁场和固定的电驱。这样电子换相线路中的功率开关器件，如晶闸管，晶体管等可直接与电驱绕组连接。在电机内，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置，它与电子换相线路一起，代替了有刷直流电机的机械换相装置。综上所述，无刷直流电机由电机本体，转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成。

1.1.1电机本体。电机本体在结构上与永磁电动机相似，但没有笼型绕组和其它启动装置。

1.1.2转子位置传感器。转子位置传感器在直流无刷电机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。

1.1.3电子换相线路。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子開关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

1.2基本工作原理。直流无刷电机为了实现无刷换相，首先要求把一半直流电机的电驱绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电机的结构刚好相反，所以直流无刷电机除了由定子和转子组成电机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及工具逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中转子磁钢产生的永磁场。

2、直流无刷电机的优越性

无刷直流电机用一套电机换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，保留了有刷电机宽阔而平滑的优良调速性能，同时又客服了有刷直流电机机械换向带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等一系列缺点，无刷直流电机还有具有高能量密度，高转矩惯性比、高效率等特点，在快速性、可控性、可靠性、经济性等方面具有明显的优势，且制造和维护成本大大降低，其优越性体现在以下几个方面：

2.1具有传统直流电机的所有优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；

2.2体积小、重量轻、出力大；

2.3全面替代直流电机调速，全面替代变频器+变频电机调速，全面替代异步电机+减速机调速；

2.4转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；

2.5可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；

2.6可以低速大功率运行，省去减速机驱动大的负载；

2.7没有无线电干扰，不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；

2.8软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；

2.9无极调速，调速范围广，过载能力强；

2.10耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长。

3、直流无刷电机两种技术特点分析

3.1在无刷直流电机中，反电势和驱动电流（电压）波形为方波的电机通常称为方波无刷直流电机，反电势和驱动电流（电压）波形为正弦波的电机称为正弦波无刷直流电机。

3.2方波的优点为扭矩大、易于控制；缺点为噪音大、转矩脉动在低速时尤其明显；

3.3正弦波的优点为噪音小、小区转矩脉动、低速平滑转动、效率更高，还具有欠压保护，过压保护，限电流保护，堵转保护等一系列 保护功能；缺点为控制复杂、成本高、核心算法难于突破。

3.4在高档加点产品中，正弦波驱动系统得到了越来越广泛的应用，而在中、低档家电产品中方波驱动系统的价格优势体现的更为明显，仍将在一段时间内大量使用，随着人们生活水平的日益提高和不断改善生活质量的要求，无刷直流电机驱动系统必将越来越广泛应用于我们生活的每一个角落，并向更完善的方向发展。显然，作为无刷直流电机驱动系统的优秀代表--正弦波无刷直流电机驱动系统必然是发展方向。

4、直流无刷电机在家电领域中的应用及发展趋势

4.1空调和冰箱中都有压缩机电机，传统的压缩机用电机通常为异步电机，无刷直流电机具有明显优点，效率高；转速不受电压频率限制，有利于压缩机提高容量、减少体积；功率因数高，降低了对逆变器的容量要求，无刷直流电机应用在压缩机中，将会满足现代社会节能环保要求。

4.2洗衣机中一般采用单相异步电机，近年来随着对洗衣机功能要求的提高，无刷直流电机在洗衣机中也得到应用，不带任何机械减速和传动装置，由直流无刷电机直接驱动洗衣机滚筒，采用无极调速，洗衣机低速运转，脱水时高速运转，故障率很低，提高产品档次。

总 结

面对目前能源紧张，环境污染，气候变暖，信息网络社会和机器人产业高速发展的时代，为满足人与自然的和谐共存，性能优良的无刷电机必将有很大市场，同时磁性材料、电力电子技术、集成电路技术和计算机技术的迅猛发展，为无刷直流电机的发挥在那提供了基础，由于无刷直流电机具有高效率低能耗、高出力省材料、小型化轻重量和高性能高可靠等优点，已广泛使用与合个领域，其市场前景十分看好，必将成为未来电机发展的主流。