无刷直流电机的组成及工作原理

2.1 引言

直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体

三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置
的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电
机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直
流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。

2.2 无刷直流电机的组成

2.2.1 电动机本体

无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢

绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得

以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展
过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼
（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第

三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向
高效率、小型化、节能的方向发展。
目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与
电枢
线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提
高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于
研究开发阶段。
2.2.2 电子换相电路

控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控

制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。
控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件
工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提
高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。

驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控

制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电
动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自
关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性
能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关
器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金

属栅双极性晶体管 IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发

的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相

应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在
逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线
性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电
路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条
件。
2.2.3 转子位置检测电路

永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信

号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位
置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。用位置传
感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安
装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的，
既笨重又复杂，已被淘汰；目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直
流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。

2.3 电机控制系统总体结构及工作原理