隨著永磁材料和功率電子元器件的不斷進(jìn)步，無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)得到了快速的發(fā)展，它們被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、航空航天、現(xiàn)代科技和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。在電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，合理正確地設(shè)計(jì)無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)成為一個(gè)越來越重要的課題。

有刷直流永磁電機(jī)原理介紹

在有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，定子永磁體在氣隙內(nèi)形成激磁磁場(chǎng)。根據(jù)物理學(xué)定理，在此情況下，如果迫使電流在電樞繞組的某一根導(dǎo)體中流動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用于該導(dǎo)體的電磁力，具體見表達(dá)式（1）F=K1Bli………………

式（1）中：

F——電磁力（N)；

K1——常數(shù)；

B——?dú)庀洞磐芏龋═）；

L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m）；

I——導(dǎo)體內(nèi)的電流（A）。

電樞繞組由多個(gè)線圈（或稱為元件）所組成，每個(gè)線圈又由若干線匝所組成。如果電樞繞組的總串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為N，且N>1，并攜帶同樣的電流，則電磁力的量值按式（2）計(jì)算。

F=K2BNli………………(2)

式（2）中，K2為一個(gè)常數(shù)。

在電動(dòng)機(jī)內(nèi)，作用在導(dǎo)體上的電動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)子中心軸線形成一個(gè)力矩，迫使轉(zhuǎn)子圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)電磁力矩的量值按式（3）。

M=K3BNRli………………(3)

式（3）中：

M——電磁力矩（N:m)；

K3——常數(shù)；

R——導(dǎo)線所處位置相對(duì)轉(zhuǎn)子中心軸線的半徑（m）。

在有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，定子主要由永磁體磁極、導(dǎo)磁瓶和電刷構(gòu)件所組成，轉(zhuǎn)子主要由電樞繞組和換向器所組成。電樞繞組按一定的規(guī)律與換向器相連接，兩個(gè)相鄰線圈之間存在一定的角位移。假說，處在N極下的某一線圈從0°電角度位置開始通電，轉(zhuǎn)子便開始旋轉(zhuǎn)，該線圈內(nèi)的電流在氣隙磁場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電磁力矩從0值開始由小到大，再由大變小，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至180°電角度時(shí)，該線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電磁力矩又回到0值。這時(shí)，該線圈離開了N極，進(jìn)入S極下面，該線圈內(nèi)的電流方向被自動(dòng)地切換（開關(guān)）成相反的方向。開關(guān)動(dòng)作是借助若干個(gè)電刷和一個(gè)換向器的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，這種由電樞線圈內(nèi)電流方向的變換被稱之為機(jī)械換向。

這樣，在有刷直流電動(dòng)機(jī)的某一磁極下，雖然線圈導(dǎo)體在不斷地更替，但只要外加電壓的極性不變，線圈導(dǎo)體中流過的電流方向始終不變，作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終不變，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向也將始終不變，這就是有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向過程的本質(zhì)。

無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的工作原理

在無刷直流水磁電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組被設(shè)置在定子上，水磁體磁極被設(shè)置在轉(zhuǎn)子上。定子各相電樞繞組相對(duì)轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)的位置，由轉(zhuǎn)子位置傳感器通過電子方式或電磁方式所感知；并利用其輸出信號(hào)，通過電子換向電路，按照一定的邏輯程序去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組相連接的相應(yīng)的功率開關(guān)晶體管，把電流開關(guān)或換向到相應(yīng)的電樞繞組。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置傳感器不斷地發(fā)送出信號(hào)，致使電樞繞組不斷地依次通電，不斷地改變通電狀態(tài)，從而使得在某一磁極下的線圈導(dǎo)體中流過的電流方向始終不變，這就是無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的無接觸式電子換向過程的實(shí)質(zhì)。

我們可以設(shè)想：在有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，如果把原先處于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)電樞翻出來變成定子，把所有被連接在機(jī)械換向器上面的電樞繞組的引線頭抽出來，并且給每一個(gè)引線頭提供一個(gè)功率晶體管開關(guān)；而把原先處于外部的靜止永磁體移入電動(dòng)機(jī)的內(nèi)腔變成轉(zhuǎn)子，就可以把一臺(tái)有刷型直流永磁電動(dòng)機(jī)變換成一臺(tái)無刷型直流永磁電動(dòng)機(jī)。但是，這種實(shí)施方法必須包含大量的功率晶體管開關(guān)元件和與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，就目前科技水平而論，這種方法很難實(shí)施，或者說還沒有實(shí)用價(jià)值。因此，在當(dāng)前的無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，定子電樞采用類似于一般交流電動(dòng)機(jī)中的三相繞組，借助轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)與定子電樞繞組三相軸線之間的相對(duì)空間位置，通過邏輯信號(hào)處理和控制，來實(shí)現(xiàn)定子電樞三相繞組的電子換向。