科技论坛对无刷直流电机的工作原理进行解析。徐江红来自江苏信息职业技术学院机电系，该学院位于江苏无锡。前言指出，传感器的无刷直流电机与无传感器的无刷直流电机的基本工作原理是相同的，主要的差异在于，有传感器的无刷直流电机是借助诸如霍尔元件这样的位置传感器来检测转子位置信号。无刷直流电机取消了作为位置传感器的霍尔元件，也就无需位置传感器了，而是利用一些控制算法来计算出转子位置信号。研究的虽是无位置传感器的无刷直流电机，但通过有位置传感器的无刷直流电机工作原理的叙述，能够简单地了解无位置传感器的无刷直流电机的工作原理。无刷直流电机的基本工作原理是：借助能反映转子位置的位置信号，通过驱动电路来驱动逆变电路的功率开关元件，让电枢绕组按照一定顺序馈电，这样就能在气隙中产生步进式旋转磁场，进而拖动永磁转子旋转。并且，随着转子的转动，转子位置信号会按照一定规律发生变化，从而改变电枢绕组的通电状态，以此实现无刷直流电动机的机电能量转换。无刷直流电机主要由电机本体、位置传感器和电子换向线路构成。电动机本体的结构与永磁同步电动机相似，不过它没有笼型绕组以及其他的起动装置。其定子绕组通常制成多相，比如三相、四相、五相等不同的相数。

转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2 4……)组成。定子绕组的某一相通电时，此电流会与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用，进而产生转矩，驱动转子旋转。接着，位置传感器会把转子磁钢的位置变换成电信号，这些电信号去往控制电子换向线路。通过这样的方式，定子各相绕组能够按一定次序导通，并且定子相电流会随着转子位置的变化而按一定次序换相。电子换向线路的导通次序与转子转角是同步的，所以起到了机械电刷和换向器的换向作用。因此，无刷直流电机可以被认为是一个由电子换向线路、永磁式同步电动机以及位置传感器共同组成的“电动系统”。永磁无刷直流电机一般由以下几部分构成：有电动机本体，其包含带有电枢绕组的定子以及永磁转子；还有位置传感器；以及电子换向电路。无刷直流电机中，利用位置传感器输出的反映转子位置的信号，通过电子换相线来驱动与电枢绕组联接的功率开关元件，让电枢绕组依次获得馈电，这样就能在主定子上形成跳跃式的旋转磁场，进而拖动永磁转子旋转。转子转动时，位置传感器持续送出信号。通过这些信号，能够改变电枢绕组的通电状态。这样一来，在某一磁极下，导体中的电流方向就能始终保持不变。这就是无刷直流电动机无接触式换流过程的实质。

原理如下：在无刷直流电机中，永久磁钢安装在转子上；而有刷直流电机，磁钢安装在定子上。无刷直流电机的电子换向线路，其作用是控制电机定子上各相绕组通电的顺序和时间，该线路主要由功率开关单元以及位置传感器的信号处理单元这两个部分构成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心部分。它的功能是把电源的功率按照一定的逻辑关系分配给无刷直流电机的各项绕组，这样就能让电机产生持续不断的转矩。并且，各相绕组导通的顺序和时间主要是由来自位置传感器的转子位置信号所决定的。但是，位置传感器所产生的信号通常不能直接用于控制功率逻辑开关单元，需要经过一定的逻辑处理之后才能够去控制逻辑开关单元。大家都知道，一般的永磁式直流电机的定子是由永久磁钢构成的，它的主要作用是在电动机的气隙中产生磁场。其电枢绕组通电之后会产生反应磁场。电刷具有换相作用，这使得在直流电机运行过程中，两个磁场的方向始终保持相互垂直，进而能产生最大转矩，驱动电机持续运转。有刷直流电机的电刷承担着检测电枢电流换向位置的任务。无刷直流电机与有刷直流电机相比，不难看出，无刷直流电机和有刷直流电机一样，它们本身都是同步电机。有刷直流电机中加的是机械的逆变器一换向器和电刷，而无刷直流电机采用电子换向装置一电子逆变器来代替机械换向器和电刷的作用。

二者构造不同，然而它们所起的作用完全相同，都是为了实现直流电机的换相。无刷直流电机的运行是通过逆变器功率器件随转子不同位置相应改变其不同触发状态来达成的。所以，准确检测转子位置并且依据转子位置准时切换功率器件触发组合状态，这是控制无刷直流电机的关键。转子的位置检测装置最直接且有效的方式是利用位置传感器获取不同位置信号，通过门电路、模拟开关或专用芯片，能够得到不同的触发逻辑信号，从而实现触发状态的自动切换。然而，位置传感器的使用使得电机体积增加，给无刷直流电机的微型化带来了困难，同时也增加了电机制造的工艺。为了省去位置传感器，人们设计了多种用于检测转子位置的方法。端点压检测法依据各相反电势会随转子位置发生改变这一情况。将三相端点压通过低通滤波器进行延时，延时的电角度为 900。然后再经过比较电路，从而得出触发逻辑信号。然而，这种方法存在着一个问题，即在电机低速时，低通滤波器对于不足 900 电角度的情况会有所影响。这会导致触发信号提前切换，进而对电机电流和转矩产生较大的影响。严重情况下，还会引起电机失步。在端点压检测法的基础上，电机低速运行时可采用三相端点压两两比较的方式，直接得出触发逻辑信号。在整个运行段，要根据不同转速，在两个位置检测电路之间进行切换。随着微处理器的应用，利用软件能够完全简化端电压检测的位置检测信号。

可以通过检测与功率器件反并联的二极管是否导通，来判断绕组反电势的过零点。这种方法在低速情况下能够检测到二极管的导通，使得电机能够在低速时正常运行，并且有利于顺利完成启动过程。然而，这种检测方法需要在二极管上设置并列的检测电路。使开路相电压大小随转子位置角而改变。结论：首先对无刷直流电机的基本组成进行了详细论述，包括电机本体、位置传感器和电子换向线路。首先把无刷直流电机与有刷直流电机进行比较，然后在此基础上引出无刷直流电机的优点。提出了一种性能比无刷直流电机更好的无位置传感器的无刷直流电机。同时指出，因为无位置传感器的无刷直流电机的工作原理和有位置传感器的无刷直流电机相近似，所以能够用有位置传感器的无刷直流电机的数学模型等来对无位置传感器的无刷直流电机进行说明。

接着详细介绍了无刷直流电机的工作原理，其中包含对无刷直流电机的反电势、力矩波动等方面的简单分析。最后详细介绍了无位置传感器的无刷直流电机的位置检测方法以及各种方法的优缺点。重点对无刷直流电机位置检测的反电势法进行了介绍，并分析了其优缺点，同时简单说明了对其缺点的克服。近几十年来，永磁材料得到了快速发展，微电子技术也得到了快速发展，自动控制技术得到了快速发展，电力电子技术得到了快速发展，大功率半导体器件得到了快速发展。随着这些技术的发展，无刷直流电机得到了迅速发展。无刷直流电机因其自身具备的优点，在当今国民经济的各个领域，像医疗器械、化工、计算机驱动器以及家用电器等方面都得到了广泛的应用。直流电机的结构通常是电枢为转子，磁铁作为定子。如果依然保持这种结构，那么要实现无刷直流电机是极为困难的。无刷直流电机的当前机械结构是：电枢绕组属于定子的一部分，而转子是作为磁场的永磁铁，这种结构与被称为永磁同步交流电机的结构十分相似。