最全讲解 | 无刷电机工作及控制原理

本文分享了无刷电机工作原理的相关知识，只要有高一物理知识的朋友就能够看得懂，希望有兴趣的朋友耐心往下看，相互学习~

基础定则回顾

首先给大家复习几个基础定则：左手定则、右手定则、右手螺旋定则。

左手定则

这个是电机转动受力分析的基础，简单说就是磁场中的载流导体，会受到力的作用。让磁感线穿过手掌正面，手指方向为电流方向，大拇指方向为产生磁力的方向。

左手定则示意图

右手定则

这是产生感生电动势的基础，跟左手定则的相反，磁场中的导体因受到力的牵引切割磁感线产生电动势。让磁感线穿过掌心，大拇指方向为运动方向，手指方向为产生的电动势方向。

右手定则示意图

为什么要讲感生电动势呢？不知道大家有没有类似的经历，把电机的三相线合在一起，用手去转动电机会发现阻力非常大，这就是因为在转动电机过程中产生了感生电动势，从而产生电流，磁场中电流流过导体又会产生和转动方向相反的力，大家就会感觉转动有很大的阻力。不信可以试试。

三相线分开，电机可以轻松转动

三相线合并，电机转动阻力非常大

右手螺旋定则

用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。这个定则是通电线圈判断极性的基础，红色箭头方向即为电流方向。

右手螺旋定则示意图

看完了三大定则，我们接下来先看看电机转动的基本原理。

直流电机模型

我们找到一个中学物理学过的直流电机的模型，通过磁回路分析法来进行一个简单的分析。

图1 直流电机-状态一

如图1所示，当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度B（如粗箭头方向所示）；而中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。

当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大。注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大。诚然，在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为0，当然也就不会转动了。补充一句，力矩是力与力臂的乘积。其中一个为零，乘积就为零了。

当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如图2所示，转子就会继续顺时针向前转动。

图2 直流电机-状态二

如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作，就叫做换相。补充一句：何时换相只与转子的位置有关，而与其他任何量无直接关系。

三相二级内转子电机

一般来说，定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最为常用，这里就用该模型来做个简单分析。

图3 三相星形联结的二二导通方式

图3显示了定子绕组的联结方式（转子未画出假想是个二极磁铁），三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A、B、C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB、AC、BC、BA、CA、CB。注意这是有顺序的。

图4 第一阶段：AB相通电情形

如图4所示，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，根据“中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致”，则N极方向会与绿色箭头所示方向重合。至于C，暂时没它什么事。

图5 第二、三、四阶段

为了节省篇幅，我们就不一一描述CA、CB的模型，大家可以自己类推一下。以下为中间磁铁（转子）的状态图，如图6所示。

图6 中间磁铁（转子）状态图

每个过程转子旋转60度，如图7所示。

图7

六个过程即完成了完整的转动，其中6次换相。