第6节 无刷直流电机 (修订中)
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无刷直流电机是从具有固态功率半导体 (opens new window)的传统有刷直流电机发展而来的。那么，为什么我们在交流电机的章节中讨论无刷直流电机呢？
无刷直流电机类似于交流同步电机。主要区别在于，与无刷直流电机的矩形或梯形反电动势相比，同步电机产生正弦反_电动势。_
两者都有定子产生旋转磁场，在磁性转子中产生扭矩。
同步电机通常具有数千瓦的大型尺寸，通常带有电磁转子。真正的同步电机被认为是单速的，是电力线频率的约数。无刷直流电机往往很小——几瓦到几十瓦，带有永磁转子。
除非由从属于参考频率的锁相环驱动，否则无刷直流电机的速度是不固定的。建筑风格是圆柱形或煎饼。
圆柱形结构：(a) 外转子，(b) 内转子
最常见的结构，圆柱形，可以采用两种形式（上图）。最常见的圆柱型是转子在内侧，右上方。这种类型的电机用于硬盘驱动器。也可以将转子放在定子周围的外侧。
没有轴的无刷直流风扇电机就是这种情况。这种建筑风格可能又短又粗。然而，磁通量的方向相对于旋转轴是径向的。
煎饼电机结构：(a) 单定子，(b) 双定子
高扭矩薄饼电机可能在转子的两侧都有定子线圈（上图-b）。
像软盘驱动电机这样的低扭矩应用在转子的一侧有一个定子线圈就足够了（上图-a）。磁通的方向是轴向的，即平行于旋转轴。
换向功能可由各种轴位置传感器执行：光学编码器、磁编码器（旋转变压器、同步器等）或霍尔效应磁传感器。小型廉价电机使用霍尔效应传感器。
霍尔效应传感器是一种半导体器件，其中电子流受垂直于电流方向的磁场影响。它看起来像一个四端可变电阻网络。两个输出端的电压是互补的。
向传感器施加磁场会在输出端引起小的电压变化。霍尔输出可以驱动[比较器](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/experiments/chpt- 晶体管级。 (opens new window)
更现代的霍尔效应传感器可能包含集成放大器和数字电路。这种 3 引线器件可以直接驱动为相绕组供电的功率晶体管。传感器必须安装在靠近永磁转子的位置以感应其位置。
霍尔效应传感器对 3-φ 无刷直流电机进行换向
简单的圆柱形 3-φ 电机（上图）由霍尔效应装置对三个定子相中的每一相进行换向。当通过的转子磁极的极性发生变化时，霍尔器件会感应到永磁转子的位置变化。
该霍尔信号被放大，从而以适当的电流驱动定子线圈。此处未显示，霍尔信号可以由组合逻辑处理以获得更有效的驱动波形。
如果上面的圆柱形电机配备锁相环（PLL）以保持恒定速度，则可以驱动硬盘驱动器。类似的电路可以驱动薄饼软盘驱动电机（下图）。同样，它需要一个 PLL 来保持恒定的速度。
无刷煎饼电机
3-φ 饼形电机有 6 个定子极和 8 个转子极。转子是一个扁平的铁氧体环，磁化有八个轴向磁化的交替磁极。我们没有显示转子由低碳钢板盖住，用于安装到定子中间的轴承上。
钢板还有助于完成磁路。定子磁极也安装在钢板上，有助于闭合磁路。
扁平定子线圈是梯形的，以更紧密地贴合线圈，并接近转子磁极。6 定子线圈包括三个绕组相。
如果三个定子相相继通电，就会产生旋转磁场。
永磁转子将跟随在同步电动机的情况下。二极转子将以与旋转磁场相同的转速跟随该磁场。但是，由于转子中存在额外的磁极，我们的 8 极转子将以该速率的约数旋转。
无刷直流风扇电机具有以下特点：
无刷风扇电机，2-φ
- 定子有 2 相分布在 4 极之间
- 有 4 个没有绕组的凸极，以消除零扭矩点。
- 转子有四个主驱动极。
- 转子有 8 极叠加，以帮助消除零扭矩点。
- 霍尔效应传感器的物理间距为 45o。
- 风扇罩位于转子顶部，转子位于定子上方。
无刷风扇电机的目标是最大限度地降低制造成本。这是将性能较低的产品从 3-φ 配置转移到 2-φ 配置的动机。根据驱动方式的不同，有时也称为 4-φ 电机。
您可能还记得，如果要自启动，传统的直流电机不能有偶数个电枢极（2、4 等），常见的是 3、5、7。因此，一个假设的 4 极电机有可能在一个扭矩最小值下停止，它不能从静止状态启动。
添加四个无绕组的小凸极在转矩与位置曲线上叠加了纹波转矩。当这个纹波转矩被添加到正常的通电转矩曲线上时，结果是转矩最小值被部分去除。
这使得可以在所有可能的停止位置启动电机。在正常的 4 极永磁转子上增加了 8 个永磁极，在正常的 4 极纹波转矩上叠加了一个小的二次谐波纹波转矩。
这进一步消除了扭矩最小值。只要扭矩最小值不降至零，我们应该能够启动电机。我们在消除扭矩最小值方面越成功，电机启动就越容易。
2-φ 定子要求霍尔传感器电气间隔为 90 __° 。__如果转子是 2 极转子，霍尔传感器将放置 90 __°__物理位置。由于我们有一个 4 极永磁转子，传感器必须物理放置 45 __°__才能实现 90 __°__电气间距。（请注意上面的霍尔间距。）
大部分扭矩是由于内部定子 2-φ 线圈与转子的 4 极部分的相互作用。此外，转子的 4 极部分必须位于底部，以便霍尔传感器能够感应到正确的换向信号。
8 极转子部分仅用于改善电机启动。
直流无刷电机2-φ推挽驱动
上图中，2-φ推挽驱动（也称为4-φ驱动）使用两个霍尔效应传感器驱动四个绕组。传感器的电气间隔为 90 °，对于单极转子，物理间隔为 90 ° 。
由于霍尔传感器有两个互补输出，一个传感器为两个相对的绕组提供换向。
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