无刷电动机工作原理-电动自行车维修从入门到精通

2023-09-27 理论教育版权反馈

【摘要】：图7-17 无刷电动机的工作原理示意图无刷电动机定子绕组必须根据转子磁极的方位切换其中电流的方向，才能使转子连续旋转，因此在无刷电动机内必须设置一个转子磁极位置的传感器，这种传感器通常采用霍尔元件。图7-18所示为无刷电动机中霍尔元件及绕组线圈的工作过程。

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图7-17为无刷电动机的工作原理示意图。无刷电动机的转子是由永久磁钢构成的，它在圆周上设有多对磁极（N、S）。绕组绕制在定子上，当接通直流电源时，电源为定子绕组供电，转子磁极受到定子磁场的作用而产生转矩并旋转。

图7-17 无刷电动机的工作原理示意图

无刷电动机定子绕组必须根据转子磁极的方位切换其中电流的方向，才能使转子连续旋转，因此在无刷电动机内必须设置一个转子磁极位置的传感器，这种传感器通常采用霍尔元件。

1.霍尔元件的工作过程

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霍尔元件是一种磁感应传感器，它可以检测磁场的极性，将磁场的极性变成电信号的极性，定子绕组中的激励电流根据霍尔元件的信号进行切换就可以形成旋转磁场，驱动永磁转子旋转。图7-18所示为无刷电动机中霍尔元件及绕组线圈的工作过程。

图7-18 无刷电动机中霍尔元件及绕组线圈的工作过程

提示说明

在图7-18中，霍尔元件上下经限流电阻器接到电源上，有偏流I流过，这种情况，如受到磁通（B）的作用，霍尔元件的左右会输出极性相反的电压，使VT1截止、VT2导通。VT1截止，W1无电流；VT2导通，W2有电流，其所产生的磁场会吸引转子磁极逆时针旋转。

2.无刷电动机的转动过程

霍尔元件安装在无刷直流电动机靠近转子磁极的位置，输出端分别加到两个三极管的基极，用于输出极性相反的电压，控制三极管导通与截止状态，从而控制绕组中的电流，使其绕组产生磁场吸引转子连续运转。

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图7-19所示为霍尔元件靠近转子S极时转子绕组中电流及转子的转动方向。

图7-19 霍尔元件靠近转子S极时转子绕组中电流及转子的转动方向

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当转子转动90°时，霍尔元件处于中性位置，如图7-20所示，此时无输出，两个三极管都截止，但电动机的转子会因惯性而继续转动。

图7-20 霍尔元件处于中性位置时转子绕组中电流及转子的转动方向

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当转子N极转到霍尔元件的位置时，霍尔元件靠近转子N极，如图7-21所示，此时霍尔元件受到与前次相反的磁极作用，霍尔元件的输出B为正、A为负，则VT2导通，L₂中有电流，产生磁极为S，S极吸引转子的N极，则转子继续逆时针转动，这样就可以连续旋转起来。

图7-21 霍尔元件靠近转子N极时转子绕组中电流及转子的转动方向

3.无刷电动机的控制过程

无刷直流电动机的结构中有两个死点（区），即当转子N、S极之间的位置为中性点，在此位置霍尔元件感受不到磁场，因而无输出，则定子绕组也会无电流，电动机只能靠惯性转动，如果恰巧电动机停在此位置，则会无法启动。为了克服上述问题，在电动自行车中多采用双极性三相半波通电方式对无刷电动机进行控制。

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双极性无刷电动机中定子绕组的结构和连接方式有两种，如图7-22所示，其中图a所示为三角形连接方式，图b所示为星形连接方式。

图7-22 双极性无刷电动机中定子绕组的结构和连接方式

双极性控制方式的无刷电动机，通过切换开关，可以使定子绕组中的电流循环导通，并形成旋转磁场。所谓双极性是指绕组中的电流方向在电子开关的控制下可双向流动，单极性绕组中的电流只能单向流动。

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图7-23所示为三角形绕组结构的双极性无刷电动机的工作过程。通过切换开关，可以使定子绕组中的电流循环导通，并形成旋转磁场。从图中可以看到，循环一周的开关状态和电流通路。

图7-23 三角形绕组结构的双极性无刷电动机的工作过程

无刷电动机中的开关通常是由场效应晶体管（控制器中）构成的。为了实现开关有序的变换，必须有一套控制驱动电路的方法。

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图7-24 所示为采用双极性控制方式的无刷电动机的驱动过程。

图7-24 采用双极性控制方式的无刷电动机的驱动过程