无刷直流电机的技术难点 深入浅出FOC矢量控制--无刷直流电机基本原理

2.4无刷直流电机基本原理

在说明永磁同步电机的工作原理之前，有必要先说一下无刷直流电机的工作原理，因为通过无刷直流电机的工作方式类似于直流电机，熟悉以后，再来理解三相电机的工作原理就容易多了。

2.4.1磁回路分析法

在 MicroChip, Freescale 和 Atmel 三家公司的文档中，都不约而同地采用了这种方法来说明无刷电机的工作原理，其原理说明见下图:

摘自Freescale PZ104文档

在图中，当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度 B（如粗箭头方向所示），而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。

顺便提一句，有网友曾经提到说不太理解这句话的含义：“当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大”。注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大。诚然，在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为 0，当然也就不会转动了。当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动，见下图所示:

摘自Freescale PZ104

如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作，就叫做换相（commutation）。注意：何时换相只与转子的位置有关，而与转速无关。以上是最简单的两相两级无刷电机的工作原理，仅仅用来说明概念用，下面我们来看比较普遍的三相两极无刷电机的构造。

2.4.2三相两极内转子电机结构

一般来说，定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最为常用，故这里只对这种情况作详细分析。

摘自Freescale PZ104

图中显示了定子绕组的联结方式（转子未画出），三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线 A, B, C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是 AB, AC, BC, BA, CA, CB，下面分析AB,AC两种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度的方向（红、兰色表示）和两个线圈的合成磁感应强度方向（绿色表示）。

无刷电机三相的连接方式是每一相引出导线的一头，而另一头和其他相两两相连。这个情况下假如我们对A、B极分别施加正电压和负电压，那么由右手螺旋定则可以判断出线圈磁极的方向如下图：

摘自知乎稚晖君

思考一下这时候中间的转子处于什么角度的时候收到的力矩最大呢？

没错就是和CO（O为中心点）连线平行的时候，磁铁会受到A、B两个磁极一推一拉的作用，直到旋转到与AB连线平行的且磁铁内部磁力线方向和AB间磁力线方向一致的时候，受合力矩为0且稳定，也就是上图中右边的状态。换句话说，AB相通电会让转子努力转到上图中右边的状态。至于C这时暂时不起作用。

同理，我们下一阶段换成AC相通电，这时候转子会倾向于转到下图右边水平的角度：

摘自知乎稚晖君

然后BC相通电的情况如下所示:

摘自知乎稚晖君

以此类推，可以得到每个通电状态下转子的角度，就是下图中的6个状态，每个状态相隔60度，6个过程即完成了完整的转动，共进行了6次换相：

摘自知乎稚晖君

整个过程就好像骑在毛驴上吊一根胡萝卜一样，旋转的磁场牵引着永磁体不断旋转：

摘自知乎稚晖君

而这个换向的操作，就是需要驱动器去完成的。这也是无刷电机和有刷电机最大的区别，即不像有刷电机的机械换向，无刷电机是通过电子换向来驱动转子不断地转动，电机的电压和KV值决定了电机转速，而电机的转速就决定了换向的频率。

至于什么时候怎么知道该换到哪个供电相？如何产生更平滑的换向电压？如何提高电源的利用效率？这些都是FOC控制方法要探讨和解决的问题。

2.4.3无刷直流电机的动画演示

无刷直流电机本质上也是三相交流电机，只不过因为它的工作方式与直流电机类似，都是通入直流电以后电机开始运动，当运动到一定角度以后，人为通过电子换向切换通电绕组。而直流电机是通过换向片和电刷来切换绕组。所以称之为无刷直流电机。以下通过一个视频来加深对无刷直流电机工作原理的理解。

无刷直流电机工作原理