直流無(wú)刷電機(jī)的電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與看永磁同步電機(jī)類似，只是沒(méi)籠型繞組和它的啟動(dòng)裝置。它的定子繞組可以是簡(jiǎn)單的單相，也可以使三相以上的結(jié)構(gòu)，電樞繞組的連接方式主要有星形和三角形連接兩種，電子換相電路一般有橋式和非橋式兩種，它們可以組成很多變化形式。下面就是最常見(jiàn)的兩兩三相星形六狀態(tài)永磁直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理簡(jiǎn)單分析。
三相兩極直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)
A、B、C為三相定子繞組，分別與電子開(kāi)關(guān)線路中的功率開(kāi)關(guān)器件V1,V2,V3相連接，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安放著位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子。VP1、VP2和VP3在空間商相差120度均勻分布在無(wú)刷直流電機(jī)的一端，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板的作用，根據(jù)某一光電器件是否被光線照射來(lái) 此時(shí)轉(zhuǎn)子磁極的位置。
假使某一時(shí)刻，定子繞組的A相通電，該電流與轉(zhuǎn)子上的永磁體所產(chǎn)生的主磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁鋼的位置同通過(guò)位置傳感器變成電信號(hào)，然后去控制電子開(kāi)關(guān)線路，這樣定子的各相繞組會(huì)依次導(dǎo)通，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。這樣，電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序能夠和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，達(dá)到機(jī)械換相得效果。
無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
三相兩極無(wú)刷直流電機(jī)，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子繞組星形連接，同時(shí)3個(gè)霍爾元件在空間上相差120度均勻分布。同時(shí)，假設(shè)電機(jī)有如下特性：
（1） 電機(jī)的磁路沒(méi)有飽和，忽略渦流效應(yīng)、磁滯損耗和電樞反應(yīng)；
（2） 不及齒槽轉(zhuǎn)矩的影響；
（3） 控制電路中的功率器件均為理想開(kāi)關(guān)器件。
電壓方程
在以上假設(shè)成立的前提下，電機(jī)定子每相繞組的相電壓和電阻上的壓降和繞組的感應(yīng)電勢(shì)組成，定子電壓的平衡方程為
式中，ea 、eb、ec分別為定子各相得反電動(dòng)勢(shì)；
ia、ib、ic分別為定子各相的電流;
Ua、Ub、Uc分別為定子各相的電壓
Ra、Rb、Rc 分別為定子各相的繞組電阻
La、Lb、Lc 分別為定子各相的繞組電感
Lab、 Lac、 Lba、 Lbc、 Lca 、Lcb 分別為定子各相繞組的互感。
由于無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子式永磁體，假設(shè)它的三相繞組相互對(duì)稱，同時(shí)忽略阻間的影響，即繞組間的互感為常數(shù)，則可以得到La=Lb=Lc, Ra=-Rb=Rc=R,
Lab= Lac= Lba= Lbc= Lca=Lcb=M。此時(shí)可以寫成
而ia、ib、ic=0，整理得
式中L=Ls-M
反電動(dòng)勢(shì)方程
在物理學(xué)中，單根導(dǎo)體切割磁場(chǎng)中的磁力線所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)e為
e=Blv
式中，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；
L為導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)的有效長(zhǎng)度
V為導(dǎo)體中的垂直磁場(chǎng)方向上的線速度
在無(wú)刷直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)速n與v如下的關(guān)系
V=2πR′n/60
式中, R′為繞組旋轉(zhuǎn)半徑。
假設(shè)繞組的每個(gè)相匝數(shù)為Wф，由于每組繞組有兩根導(dǎo)體，則每相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：
Eф=2eWф
綜合上述公司，則得到轉(zhuǎn)速n與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eф的關(guān)系式為：
Eф則=BlπR′Wф /15*n
轉(zhuǎn)矩方程
當(dāng)直流電機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩是指電樞繞組通電后，導(dǎo)體與永磁體相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，繞組有兩相保持同時(shí)導(dǎo)通，所以電磁功率Pm為：
Pm=2EpIp
不計(jì)電流換相的影響，則電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te 為：
Te= Pm/Wi/Np =2npEpIp/W1=2npψp Ip
式中，Ep為無(wú)刷直流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)峰值；
Ip為電機(jī)的電流峰值
Ψp為電機(jī)的電磁磁鏈的峰值
由公式可以看出，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和峰值電流成正比
運(yùn)動(dòng)方程
一般情況下，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為
Te – TL –Zw=J*dw/dt
式中，Te、TL為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩
W為電機(jī)的角速度；
Z為粘滯摩擦系數(shù)
J為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
無(wú)刷直流電機(jī)的特性分析
起動(dòng)特性
起動(dòng)時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)為零，因此電樞電流為：
I=Ud -2△U/2R
式中，Ud為電機(jī)導(dǎo)通的兩相繞組的線電壓；
△ U為控制電路中的功率壓降；
R為電機(jī)定子繞組的內(nèi)阻
由于內(nèi)阻較小，起動(dòng)時(shí)電樞電流迅速增加，所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，可以迅速啟動(dòng)，還可以在負(fù)載狀態(tài)下直接啟動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速變大時(shí)，電樞反感使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變大，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩減小，加速轉(zhuǎn)速也隨之減小，最后進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)速和電樞電流穩(wěn)定。
當(dāng)電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電樞電流隨時(shí)間的變化曲線如圖
無(wú)刷直流電機(jī)的啟動(dòng)特性曲線
機(jī)械特性
機(jī)械特性是指在直流電壓Ud不變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，則無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性方程式為：
n=15/ BlπR′Wф方(U-RI-L dI/dt)
整理后可得：
n=30/π* Kt Ud – 2RTe/Ke Kt
式中，Kt為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)
Ke系為電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)
Ud為線電壓
可以看出，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間呈線性關(guān)系。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩變大時(shí)，電樞反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定的去磁作用，同時(shí)考慮到驅(qū)動(dòng)控制電路的功率器件具有非線性，所以電機(jī)的機(jī)械特性曲線末端會(huì)向下彎曲。
無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖所示
無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線
調(diào)節(jié)特性
調(diào)節(jié)特性是指在電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和外加電壓之間的變化關(guān)系。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，忽略驅(qū)動(dòng)控制電路的功率器件的損耗，有如下的關(guān)系
Ud=raI +π/30*Ken
KTI-TL=π/30Zn
則轉(zhuǎn)速和電壓的關(guān)系為
N=30/30 KTKe+πraZ*(KT Ud –ra –TL)
由此，可以得到在不同的電磁轉(zhuǎn)矩Te下，無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著Ud變化的曲線,Te1< Te21< Te3
無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)節(jié)特性曲線
無(wú)刷直流電機(jī)有著良好的控制性能，但是當(dāng)Ud較小時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩也較小，電磁轉(zhuǎn)矩也較小，無(wú)法克制負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)不能啟動(dòng)，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速為零，當(dāng)Ud增加到超過(guò)門線電壓時(shí)，電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)并逐漸運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)，當(dāng)Ud越大，轉(zhuǎn)速也越大。同時(shí)由于摩擦力的存在，所以調(diào)節(jié)特性不會(huì)經(jīng)過(guò)原點(diǎn)。
以三相兩級(jí)無(wú)刷直流電機(jī)為例，研究了它的工作原理，分析了它的具體換相過(guò)程。同時(shí)，通過(guò)分析無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)據(jù)模型和工作特性，加深了對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的理解