BLDC电机基础知识

news2025/1/16 3:57:23

1、电机工作原理

电机输入的是电能输出机械能，即电机是一种将电能转换为机械能的装置。电机利用磁场的同名磁极互相排斥以及电磁场原理完成电能与机械能的转换。

由物理电磁场理论知识我们知道，磁铁周围存在磁场，同时运动的电荷或通电导线周围也存在磁场。所以，电机内部存在着定子(绕组线圈）磁场和转子(永磁体)磁场。
磁场对引入其中的电荷产生的作用力，称为洛伦兹力。而磁场对其中通电导线产生的作用力称为安培力。

2、洛伦兹力、安培力、楞次定律

洛伦兹力：

安培力：

左手定则：判断通电导体在磁场中的受力方向
1伸开左手，让大拇指与其余四指垂直；
2手心面向N极，四指指向电流的方向，让磁场垂直穿过手心；大拇指所指方向就是导体的受力方向；

右手定则：判断感应电动势的方向
伸开右手，让大拇指与四指垂直。让磁感线垂直穿过手心，大拇指指向导体的运动方向，其余四指指向为导体中感应电流(感应电动势)的方向向。

右手螺旋定则：判断通电螺线管中磁场方向
右手握住通电螺线管，使四指弯曲方向与电流方向一致，大拇指指向的那一端就是通电螺线管的N极。

楞次定律：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

3、感应电动势

通电导体在磁场中运动时，切割磁感线，就会产生感应电动势，感应电动势的方向可以用右手定则判断。

感应电动势分动生电动势和感生电动势，动生电动势是由于导体在磁场中运动切割磁感线而产生，感生电动势则是由于磁场变化而导致其中的导体产生的电动势。
对于电机而言，通常绕组是定子永磁体是转子，所以电机中导体是静止的而磁场是运动的故其中的感应电动势是感生电动势。
由前面的楞次定律可以判断感应电动势的方向。
而感应电动势大小为：

由公式知，电机绕组中感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比。而磁通量理论上是正弦规律变化的。
那么当转子永磁体磁场线与定子绕组磁场相垂直时，磁通量是最小的，但是此时的磁通量变化率是最大的。故，此时的反电动势应该是最大的。

而当转子永磁体磁场线与定子绕组磁场相平行时，磁通量最大，但是此时的磁通量变化率是最小的。故，此时的反电动势是最小的。

按以上分析，当转子旋转一周时，磁感应强度B与线圈平面的法线方向的夹角会不断变化，那么磁铁量按上面的公式就是按正弦规律变化。

如图所示，在角度0时，磁通量最大但磁通量的变化率最小为0(即斜率为0)，而在90°时磁通量最小而磁通量的变化率最大。
而由上面感应电动势的公式便可以得到此时的反电动势图形：

上面这个由电机转子转动而在定子线圈中产生的感应电动势，称为反电动势。其产生的电流方向与电机绕组线圈施加的电压产生的电流方向相反。
这里我们也可以看到反电动势的波形是正弦规律变化的，那么由于电机转子永磁体充磁方式，定子绕组绕线方式及点击生产制造工艺的关系电机实际反电动势波形有些并不是正弦规律变化的。

4、机械角度、电角度

机械角度：电机转子实际位置角度，其范围是0~360°。
电角度：转子每转过一对磁极，定子绕线的电动势会产生一个周期的变化对于饭电动势为正弦波的电机就刚好是一个正弦周期即0~360°。
对于一对极的电机机械角度与电角度相等，而对于n对极的电机则电角度=n*机械角度=n*360°。
由此可知，通过调整电机的电压值便可以实现电机速度的调整。

5、KV值

KV值表示，无刷电机电压每增加1V其空转转速的增加值，即：
空转转速=电压*KV值

6、死点

由于力矩公式为M=FLsin(θ)，所以当角度是0或者180°时力矩是0。在电机中当定子绕组的磁场方向和转子永磁体的磁场方向平行时此时角度就是0或者180°，力矩为0。
当电机停止在这些位置点时，无感启动时会存在启动不了的情况，称这样的位置点为死点。通常，采用的是二次定位的方式，第一次定子磁场定位在0°位置，第二次定子磁场定位在90°位置。

7、电机转动原理

为方便理解先以一个直流电机模型说明:

如上图，当螺线管中通以电流时，根据右手螺旋定则其磁场方向如图所示。根据同名磁极互相排斥异名磁极互相吸引的原则，中间的永磁体将会按顺时针方向转动。此时，中间转子磁场方向与绕组磁场方向垂直其转动力矩最大，而当转子磁场方向与绕组磁场方向平行时，转子所受磁力是最大的但是由于此时力臂为0所以力矩为0。虽然，在平行时力矩为0，但是由于惯性转子依然会往前转动，此时如果改变螺旋管中电流方向，则转子会继续顺时针转动下去。如果在转子到达位置后，不断改变螺线管中电流的方向则转子就会不停地转动起来。而改变电流方向的这一动作就称为换相。

有了上面的理解后下面以一个三相一对极电机为例说明无刷电机的转动原理：

如上为三相星形连接电机，对于方波控制的两两导体方式，有六种导通情况AB、AC、BC、BA、CA、CB。下面就以这六种通电方式进行说明：

以AB相通电为例进行分析：

当AB相通电，则A极线圈产生的磁感线方向如红色箭头所示，B极产生的磁感线方向如图蓝色箭头所示。那么产生的合力方向即为绿色箭头所示，假设其中有一个二极磁铁，则根据“转子永磁体内部磁感线方向最终会与外磁感线方向趋于一致”则N极方向会与绿色箭头所示方向重合。
同理，可以分析出其他相通电时的情形，转子方向如下。