相信很多同学刚开始学习无刷直流机的时候,都比较困惑其具体的工作原理,在这里一起梳理一下。(本文图片来源于飞思卡尔公司技术文档PZ104)

1 BLDC工作原理

      首先我们看上面这张图,当两头线圈通电的时候,根据右手螺旋定则(用右手握住通电螺线管,四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所致方向为N极)。受到磁场作用,中间的转子(永磁体)会尽量使自己内部的磁力线和外部的磁力线方向保持一致,因此转子会运动起来。转子的运动方向,与通电螺线管的电流方向有关,上图所示的通电方向转子为顺时针转动。

      当转子位置旋转到水平位置时,转子所受力矩为0,但是由于惯性的作用,此时电机的转矩会继续顺时针转动,如果在这个时候,将电流的方向反向,那么电机的转子将会继续按照顺时针转动,如下图所示。顺便提一句,这个地方的原理让我想到了BLDC检测电路中的过零点检测回路,相信与这个关系较大。如果我们不管的在转子过水平的临界点进行电流换向,那么电机的转子就会持续的旋转起来。改变电流方向的这个操作,就叫做换相。很多时候,如果不探寻到电机转子运动的原理上去,其实很难理解为什么电机需要换相操作,我也是今天梳理才知道这个地方为什么需要这么做。

     这里需要注意的一个地方:换相操作,只和电机的转子位置有关,与电机的转速没有关系。

2 内部结构和实际运行过程
     电机的内部肯定不会是这么简单的直流结构,电机内部一般是通过三相线圈绕组,并通过星接或者角接的形式结合在一起,那么涉及的供电方式就会比上面的原理更复杂。下图为一个较为普遍的三相两极星接的一个电机内部结构。

    从图中可以看出,三个绕组通过中心点Y连接在一起。整个电机就引出三根线ABC,当他们两两通电时,就会构成第一节里面的小单元,一共有6种情况,AB\AC\BC\BA\CA\CB(这里需要注意一个点,AB和BA虽然都是A和B两相通电,但是电流方向不同,所以取得的效果也不同)。上述六种情况会产生六种不同的工作磁路,如下图所示。以其中一个为例进行分析,当AB通电时,且A为正极,B为负极,根据右手螺旋定则,A相产生的磁场方向如红色箭头所示,B相线圈产生的磁场方向如蓝箭头方向所示,那么电机就会产生绿色的箭头方向的合成磁动势。电机的永磁体转子就会向着绿色箭头所在位置旋转。在这六种状态中,按照特定的顺序切换,电机就会持续的旋转起来。(转子的位置就在中心)

小结:
    1、通电导体在磁场中受力,通电线圈会产生磁场,是电机运行的基本物理原理。

    2、永磁体转子会在磁场的作用下,跟随通电线圈的磁力线方向运动,在转子位置到达水平时,更改电流方向,也就是更改磁力线方向,电机能够旋转起来。

    3、在三相电机中,整个360°存在6中相位状态AB\AC\BC\BA\CA\CB,不同状态对应不同的磁动势位置,在空间中呈60°间隔份部,从而使得电机能够实现旋转。

    这一节内容呢,我认为是较为关键的,因为我们学过PWM知道的,调制的原理要结合电机本体的磁场控制,所以对于BLDC而言,了解了他的具体工作原理,有助于我们后面去对他进行控制,嘿嘿,当然复杂的控制理论前,调制是最为关键的异步,需要学会发波,发出能够让电机旋转的PWM,那么后面的就不愁了。

    整理不易,希望大家帮忙点个赞~
    后续文章链接:
    永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程(PMSM)(一)

    无刷直流电动机矢量控制(一)——无刷直流电机(BLDC)与永磁同步电机(PMSM)的相同点和区别

    无刷直流电动机矢量控制(二)——无刷直流电机的工作原理及其内部结构

    无刷直流电动机矢量控制(三)——位置检测和换相

    无刷直流电动机矢量控制(四)——simulink仿真搭建(让电机动起来)

    无刷直流电动机矢量控制(五)——开环调速原理(方波形式)

    STM32电机库(ST-MC-Workbench)学习记录——电机参数及传感器设置

    STM32电机库(ST-MC-Workbench)学习记录——电流采样部分

    STM32电机库(ST-MC-Workbench)学习记录——电流采样参数设置

    STM32电机库(ST-MC-Workbench)学习记录——无感FOC代码生成