直流无刷电机

直流无刷电机(Bruhle 3356 direct   current   motor, referred to a bruhle DC motor)由方波电流驱动、可以将DC能量转化为机械能(直流电动机) 或将机械能转化为直流电能(直流发电机)并且不包含碳刷，由定子组成、转子和电机控制部分，由方波电流控制和驱动，并控制逆变器功率管使其按规定的规律导通、当电机断开时，定子电枢会产生一个磁势，以60°的电角度不断前进，带动转子旋转有两种控制方法开环和闭环两者最大的区别就是没有碳刷，安全、无磨损和良好的调速性能，在电子数字、工业控制、医疗、它已广泛应用于汽车和其他领域。

无刷电机由转子组成、定子和电机控制部分，其中转子的主要部分是永磁体，定子包括线圈绕组和铁芯，电机控制部分包括相位检测、换向元件和无刷电机控制器。除了电子换向部分，DC无刷电机的结构相对简单。无刷DC电机是在永磁无刷DC电机的基础上发展起来的，具有机电一体化的特点。随着电子控制技术的发展，DC无刷电机的控制电流波形已经从方波发展到较为平滑的正弦波和同步控制，无刷电机的同步运行也称为同步电机。目前，DC无刷电机仅包含单一方波电流输入，不涉及同步控制技术。与永磁DC无刷电机相比，DC无刷电机具有更高的功率密度、峰值效率、运行寿命、可靠性、结构鲁棒性更强，但控制器的成本略逊一筹。

DC无刷电机的基本结构如右图所示，主要由电机本体组成、内置转子位置传感器和加在转轴上的速度传感器由三部分组成。

电动机本体

电机本体由定子和转子组成。

定子：定子部分是电机的电枢，上面有槽槽的数量取决于转子的极数和相数，它们是极数和相数的整数倍。对称的多相绕组缠绕在定子的铁芯中(绕组的相数不固定，一般为三相或四相，也有两相或五相)绕组可以星形或角形连接，每个相绕组分别与逆变器中的每个开关管连接。

转子：转子的主要部分是具有一定数量磁极的永磁体，由永磁材料制成，用于在电机的气隙中建立具有一定强度的磁场。转子的结构可以采用凸极式或嵌入式，如下图所示。

凸极式(外装式)在转子外表面贴一块扇形永磁体，这就是凸极转子它的主要优点是电枢电感小，齿槽转矩小，但也有一些缺点：气隙磁通密度低、磁通不集中且易受电枢反应的影响，因此凸极转子常用于容量较小的低速电机。

内嵌式(内装式)矩形永磁体嵌入转子的铁芯中，即嵌入式转子与凸极转子相比，它的主要优点是气隙磁通密度大、磁通集中，不易受电枢反应的影响，但也有电枢电感大，齿槽转矩大的缺点，所以在大容量的高速电机中常采用嵌入式转子。

转子位置传感器

转子位置传感器的主要功能是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，从而向逆变电路提供正确的换向信息电机控制器通过将转子磁极的位置信号转换为电信号并传输给电机控制器，根据获得的位置信息控制定子绕组的换向，从而保证电机定子绕组中的电流根据转子位置的变化有序换向，从而在电机气隙中形成步进旋转磁场，驱动永磁转子连续旋转。

无刷DC电机中常用的转子位置传感器主要包括霍尔位置传感器、电磁位置传感器、磁敏位置传感器和光电位置传感器。其中，霍尔位置传感器结构简单、成本低、体积小不占空间、易于安装、易于机电一体化等优势，占据着越来越大的市场。

转子转速传感器

为了通过速度和电流的双闭环系统控制无刷电机，可以在转子上安装增量式光电脉冲编码器，以获得无刷电机中转子的速度有 M 种测量转子速度的方法、T法、M/T 方法和锁相方法。

DC无刷电机由方波电流驱动和控制在方波电流的作用下，逆变器功率管根据方波的高低而导通或关断，使电机的定子电枢产生一个以60度电角度保持前进的磁场，从而驱动永磁转子旋转。下图显示了方波控制电流和相应的磁通密度分布、相反的电动势和电磁转矩波形。

最常见的工作模式是三相桥六态工作模式，在360（电气角）在一个电周期中，三相绕组有六种导通状态，可分为六段。三相绕组的三端连接到由六个大功率开关器件组成的三相桥式逆变器的三个桥臂当绕组以星形连接时，在任何时刻，三相绕组中必须只有两个绕组串联，其中一个正向导通，另一个反向导通。以任何一相绕组为例，它在一个电周期内正向导通、反向导通、不导通的各占三分之一。

控制电路组成  

无刷DC电机的基本控制结构框图如下图所示。无刷DC电机必须配备电子控制器以实现绕组的电子换向。无刷电机的控制电路包括电子换向电路、其中电子换向电路部分由换向信号处理电路组成、转子位置传感器电路和电源开关电路。

转子位置传感器电路：位置传感器电路为包括光电传感器在内的位置传感器提供激励、霍尔传感器为电磁传感器提供稳定的低压DC电源和高频交流激励电源。

位置传感器电路不仅接收位置传感器的输出信号，而且放大它、只有通过整形才能得到矩形波信号，并送到控制电路。对于无传感器控制模式，需要单独从电机获得一些信息，并通过特定的电路和软件计算并获得转子的位置信息。

换向信号处理电路：换向信号处理电路对位置传感器信号和控制信号进行综合运算和逻辑处理，以获得每相绕组的导通顺序和适当导通角的逻辑信号，并将其提供给功率开关电路。

功率开关电路：电源开关电路由逆变器桥电路组成、功率开关的栅极（或基极、门极）驱动电路、一个续流电路和一个吸收电路。通过电源开关装置（如GTR、MOFET、IGBT或电源模块）桥式逆变电路或非桥式开关电路与电机的三相绕组相连，以接通或断开相绕组，实现各相绕组的正确换相并完成控制指令。绝大多数功率开关电路都工作在开关模式。只有在少数情况下的小功率无刷DC电机，其功率晶体管才处于放大工作状态。

开环、闭环控制

无刷DC电机可以采用开环控制系统或闭环控制系统。

直流无刷电机

开环控制：开环控制系统相对简单，仅通过转子位置传感器获取转子位置信息，从而保证转子位置与电机同步。电机的速度和电流取决于电机和驱动负载的机械特性。当电压或负载波动时，电机的转速也会有一定程度的波动，这无法通过控制保持稳定。

闭环控制：常见的速度和电流双闭环控制系统可以监测转子速度、利用相电流的反馈信息调节控制电流，可以获得更好的控制效果和更完善的控制功能，实现一定程度的稳速或调速控制。

该系统的工作原理：在外部，给定控制系统中电机的目标速度，即系统的控制目标转子位置传感器电路处理测得的转子位置信息以获得转子的当前速度目标速度值和速度反馈值之间存在一定的差异，将两者相减即可得到速度差PI可以通过速度调节器来实现（比例和积分）调节，以输出电流回路的给定值（基于目标速度的目标电流）同样，将其与电流传感器获得的电流反馈值进行比较，以获得电流差，然后由电流调节器进行调整输出调节信号在PWM电路中被转换成相应的PWM脉冲宽度，然后转子位置信号被合成以产生每相所需的PWM控制信号。PWM控制信号被发送到基座（或栅极、门极）驱动电路驱动三相逆变桥电路使相应的功率开关器件工作，并通过合适的PWM占空比驱动电机绕组。

此外，速度电流双闭环控制系统还将利用转子位置反馈信息对电流传感器信号进行采样，以形成代表电机扭矩的合成电流信号，并始终保持反电动势和相电流的相位一致。

双闭环控制系统可确保电机处于电压状态、在负载变化或外部噪声干扰的情况下，系统会自动调整以使其速度始终与目标速度保持一致。

电子数码

无刷DC电机因其体积小功率密度高而广泛应用于日常办公机器中（打印机、传真机、复印机）和电子数字消费品（硬盘驱动器、软盘驱动器、电影摄影机、磁带记录仪）中。

工业控制领域

无刷DC电机的高效率、强大的过载能力，在牵引系统中表现出色，同时在纺织方面也表现出色、冶金、印刷、自动化生产线、无刷DC电机用于工业生产，如数控机床。

医疗设备领域

无刷DC电机无机械换向器，采用全封闭结构，可防止灰尘进入电机，可靠性高。用于驱动人工心脏中的小型血泵、用于外科高速仪器的高速离心机、无刷DC电机用于热像仪和温度计的红外激光调制器。

汽车领域

随着汽车工业向节能环保方向发展，新能源汽车用电机也必须满足高效率、低能耗的标准。无刷DC电机的低噪声、寿命长、无火花干扰、方便集中控制等优点完全满足汽车应用要求除了用于驱动电车的电机外，雨刮器中还使用了无刷DC电机、电动车门、汽车空调、电动窗和其他部件也有应用。