从无刷DC永磁电机看无刷DC永磁电机的工作原理

随着永磁材料和电力电子元件的不断进步，无刷DC永磁电机发展迅速。它们广泛应用于工业、农业、国防、航空航天、现代科技和日常生活的各个领域。在电机技术领域，合理、正确地设计无刷DC永磁电机已经成为一个越来越重要的课题。

无刷DC永磁电机原理介绍

在有刷直流永磁电动机中，电枢绕组设置在转子上,定子永磁体在气隙中形成励磁磁场。根据物理定理，在这种情况下，如果电流被迫在电枢绕组的导体中流动，将产生作用在导体上的电磁力，如表达式(1)所示

F=K1Bli………………(1)

在公式(1)中：

F——电磁力(n)；

K1——常量；

B——气隙磁通密度(t)；

L——导线长度(m)；

I——导体(a)中的电流。

电枢绕组由多个线圈(或元件)组成，每个线圈由几匝组成。如果电枢绕组的串联导体总数为n和N1，并且承载相同的电流，则电磁力的大小根据公式(2)计算。

F=K2BNli………………(2)

在公式(2)中，K2是常数。

在电机中，作用在导体上的电动势对转子的中心轴形成力矩，迫使转子绕中心轴旋转。旋转电磁转矩的大小符合公式(3)。

M=K3BNRli………………(3)

在公式(3)中：

M——电磁转矩(n :m)；

K3——常量；

R——导体相对于转子中心轴的位置半径(m)。

在有刷直流永磁电动机中，定子主要由永磁体磁极、导磁瓶和电刷构件所组成，转子主要由电枢绕组和换向器所组成。的电枢绕组按一定规律与换向器相连，相邻两个线圈之间有一定的角位移。假设N极下的一个线圈从0电角度通电，转子开始旋转，线圈中的电流在气隙磁场中产生的旋转电磁转矩从0值开始到0值，再从大到小。当转子转到180电角度时，线圈产生的旋转电磁转矩回到0值。此时线圈离开N极，进入S极下方，线圈内电流方向自动切换到相反方向。开关动作是通过几个电刷和一个换向器的机械结构来实现的。电枢线圈中电流方向的这种变化称为机械换向。

这样，在有刷DC电机的某一磁极下，虽然线圈导体不断变化，但只要施加电压的极性保持不变，流过线圈导体的电流方向、作用在电枢上的电磁转矩方向以及电机的旋转方向都会保持不变，这就是有刷DC电机机械换向过程的本质。

无刷DC永磁电机的工作原理

在无刷DC磁流体电机中，电枢绕组设置在定子上，磁流体的磁极设置在转子上。定子各相电枢绕组相对于转子永磁体磁场的位置由转子位置传感器以电子或电磁方式感应。并利用其输出信号，通过电子换向电路，按照一定的逻辑程序，驱动与电枢绕组相连的相应功率开关晶体管，并将电流切换或换向到相应的电枢绕组。随着转子的转动，转子位置传感器不断发出信号，使电枢绕组轮流通电，并不断改变通电状态，从而使某一磁极下线圈导体中流动的电流始终不变。这就是无刷DC永磁电机无接触电子换向过程的本质。

我们可以想象：在一个有刷DC永磁电机中，如果把电机内部的旋转电枢变成定子，电枢绕组连接到机械换向器的所有引线都抽出来，每根引线上都有一个功率晶体管开关；通过将静止的永磁体向外移动到电机的内腔中成为转子，无刷DC永磁电机可以转变成无刷DC永磁电机。然而，这种实现方法必须包括大量功率晶体管开关元件和转子位置传感器。就目前的技术水平而言，这种方法很难实施或者没有实用价值。因此，在目前的无刷DC永磁电机中，定子电枢采用与一般交流电机相似的三相绕组。通过转子位置传感器检测转子永磁磁场与定子电枢绕组三相轴的相对空间位置，通过逻辑信号处理和控制实现定子电枢三相绕组的电子换向。

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