直流无刷电动机的结构与性能分析

袁启毅

摘 要： 新时期，精密伺服装置逐渐优化，逐渐面向高端化方向发展。而直流无刷电动机作为动力机械，其凭借着高性能、高功率、长寿命等优势特征备受行业人士所重视，对其的研究也越来越多。基于此，本文就直流无刷电动机结构和性能展开研究，首先介绍了该电动机，其次对结构和性能进行分析，希望能够帮助直流无刷电动机的优化设计和应用提供参考。

关键词： 直流无刷电动机;结构;性能

【中图分类号】TP351     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.178

普通有刷直流电动机的调速启动性好，力矩大，但是电刷与换向器会对电动机寿命、性能等方面产生严重影响，产生的火花也会干扰电子设备，且维护难度大。随着科技的发展，直流无刷电动机应运而生，传统的电刷和换向器被电子开关线路和位置传感器所取代，实现了直流无刷，这种电动机不仅具备直流电动机特征，同时也具有交流电动机的优势，能够取代一般性的电动机，在数控机床、医疗化工等领域中应用广泛。

1 直流无刷电动机介绍

无刷直流电动机包括电子驱动器和电动机两部分，其是机电一体化产品。电动机定子绕组一般采用三相对称星形接法，类似于三相异步电动机，转子上配备了永磁体，主要用于检测转子极性，内部配置了位置传感器。驱动器包括功率电子器件、集成电路，能够启停电动机，接受信号等。

无刷直流电机的结构包括定子、转子、位置传感器三部分。其中，定子含有铁芯、机壳、电驱绕组三部分，转子含有磁钢、轴以及跟踪转子，位置传感器含有印刷电路板与霍尔传感器。普通的直流有刷电动机是由旋转电枢驱动的，其连接换向器与电刷在旋转时促使电流换向。而直流无刷电机则是由旋转磁钢驱动的，位置传感器将转子磁钢和电枢相对相位关系检测出来，之后进行电流换向，经过驱动器逻辑变换控制电子开关，进而达到换相效果[1]。电枢通过电子换相电机具有和直流电动机运行相似特性，极易对电机输出进行控制，且调速范围也比较宽。通过高性能磁场所产生的气隙磁场较长，进而提升了电机功率，使得转子损耗、定子发热现象有所降低。经过优化设计，同样情况下，电动机效率更高。但是，其极限转速不会被机械换向所束缚，而是由轴承与电子元器件性能所决定，这就导致电机转速以及功率密度大大提升。

2 直流无刷电动机的结构和性能

2.1 定子。在硅钢片叠加构成的定子铁芯槽中嵌有电枢绕组，但空心杯电机铁芯无槽，此时，电机内安装绕组的难度大大降低，但是空心杯绕组制作困难，直流无刷电动机可以使用空心杯，绕组难度较低，质量和寿命更高。（1）铁芯结构。直流无刷电动机铁芯结构分为整体式、拼装式及链式三种。其中，整体式就是一次成型的铁芯，拼装式则是拼装形成的整体，其剩余的废料比较少，对硅钢带的利用更高[2]。整体式的绕组嵌线工艺更为复杂。拼装式与链式在绕组时，齿块部位可以单独绕线，自动化机械的线圈排列更为整齐，不仅能够提高满槽率，同时也便于绕组散热，能够使电枢线圈边长度缩短，节省材料。（2）绕组结构。电机绕组的指标之一就是每极每组槽数，槽数为整数时，绕组就是整数槽绕组，若是分数，其就是分数槽绕组。整数槽绕组的电机设计相对简单，绕组系数更大，同样情况下，该电机功率更大。分数槽绕组中，无刷电机每极下槽数有所减少，使用少量大槽能够替代多数量的小槽，缩减占据空间，提高槽满率，能够有效增强电机性能，扩大短距以及分布效应，促使反电动势波形中的正弦性得以改变[3]。此外，分数槽绕组可以设计成集中绕组，使用自动绕线机实现自动绕线，能够有效提升生产率，且采用拼装式铁芯也能够节省材料，有效降低成本。

2.2 转子。（1）转子。直流无刷电动机中的转子包括磁钢表贴式、插入式两种。其中，表贴式就是使用特征胶水在铁芯表面粘贴磁钢，插入式是在铁芯内部插入磁钢。（2）磁钢常用类型为铁氧体、铁钴以及钕铁硼这几种。铁氧体包括注塑、烧结两种，钕铁硼包括粘结、烧结两种。铁钴具有较强的耐腐蚀性，但是价格高，铁氧体价格低，无需处理就具有耐腐蚀性，但是磁性低，需要加厚，体积更大。而钕铁硼的磁性强，价格便宜，在大功率永磁电动机中的应用十分广泛，但是也需要进行表面处理才能够具有耐腐蚀性[4]。注塑铁氧体十分特殊，多个磁极能够实现一体成型，适用于批量生产，粘结钕铁硼与其特征相似，为增强电动机动态性，需要采用斜磁，制造比较简单。

2.3 驱动器。直流无刷电动机只有配置相应的驱动器才能够实现运行，驱动器质量决定了电动机运行质量。利用驱动器对转子位置进行检验的方式包括两种，需要额外配置位置传感器就是有感驱动器，不需要额外配置驱动器就是无感驱动器，彼此特点不同。有感驱动器通常为霍尔传感器，其能够迅速启动，力矩比较大，但是占据的空间也更大，受到高温、干扰等不良影响会导致传感器无法运行，进而导致整个机器无法运行。无感驱动器缺乏位置传感器，其能够利用间接检测法对转子位置进行计算，典型的启动方式就是三段式启动[5]。在定位时，将脉冲注入到电机两组绕组中，受到电机振动影响，驱动器会将检测到的振动情况以波形的方式反馈给另一组绕组，进而得到转子位置。但是，这种方法在负载惯量大的情况下不适应，一般应用在启动转矩大的情况下。

2.4 链式结构。链式结构安装方便，其在上压板上装入，使用上下压板抠脚进口绝缘肩部，通过压缩弹簧防止松动。链式铁芯的安装需要装夹，且需要绕线加工，因此其需要的加工也编辑过奥，采用PBT槽绝缘创新，通过塑封注射成型，将塑封材料和链式铁芯结合起来。通过该工艺能够保证机器和绝缘强度，产品也比较平整。12槽8极就是8个磁极使用表面贴片式，磁极磁场方向是径向。12槽10极中，定子绕组开通状态的有6个，其为一周期，每周期转子转90°，需要轉4个周期，分别分成了六个时间段。

结束语：近年来，普通的直流有刷带动农机应用优势明显，但是其受到电刷和换向器的影响，电动机的使用寿命不长，性能也需要进一步提高。为了解决直流有刷电机存在的问题，人们致力于寻找一种无须电刷和换向器就能够运行的直流电动机，在电子技术的帮助下，直流无刷电动机得到开发和利用。同时，直流无刷电动机凭借着操作简单、运行和维护方便、性能强等优势特征得到了相关行业的认可。在医疗、自动化、数控等领域中的应用得到了广泛的应用。

参考文献

[1] 蒋元广，施周，孙晓东，等.电动车用直流无刷电机不同永磁结构对比分析[J].电气传动，2019，049（002）：61-65.

[2] 蒋元广，施周，孙晓东，等.电动车用直流无刷电机不同永磁结构对比分析[J].电气传动，2019，49（2）.

[3] 张迅诚.永磁无刷直流直线电机设计及性能分析[D].2019.

[4] 李明达.电动车用无刷直流电机设计及齿槽转矩优化研究[D].2019.

[5] 刘祖国，刘通，王永翔，等.高速飞轮储能用驱动直流无刷电机的设计与分析[J].湖北工程学院学报，2019，039（003）：P.89-93.