一、三個(gè)基本定則

1．左手定則

位于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體，會(huì)受到力的作用，力的方向可按左手定則確定，如4-19圖所示：伸開(kāi)左手，使大拇指和其余四指垂直，把手心面向N極，四指順著電流的方向，那么大拇指所指方向就是載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向。

力的大小為： F =BIL

其中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位：T），I為電流大?。▎挝唬篈）， L為導(dǎo)體有效長(zhǎng)度（單位：m），F(xiàn)為力的大?。▎挝?N）。

如果磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向和電流I的方向不互相垂直，而是成一定夾角q，則力的大小為：F =BILsinq。

圖1 左手定則

考慮到一個(gè)線圈往往有兩個(gè)有效邊AD和CD，如圖2(a)所示。在磁場(chǎng)中它們的受力方向正好相反，如圖2(b)所示。它們所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩TD是以旋轉(zhuǎn)軸O為中心，方向?yàn)轫槙r(shí)針，其大小可由下式?jīng)Q定：

TD=2rF=2rBIL

式中，TD是轉(zhuǎn)矩(單位: N×m); r是從中心到各導(dǎo)體的距離(單位: m)。

(a) 線圈 (b) 線圈受力

圖2 處于磁場(chǎng)中線圈的受力情況

同樣，如果磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流方向不互相垂直，而是成一定夾角q，則有

TD=2rBILsinq

如圖3示出了某兩極直流電動(dòng)機(jī)的橫斷面，并假設(shè)在對(duì)稱軸O-O￠的右側(cè)導(dǎo)體中，電流是以同一方向流動(dòng)（如流入紙面），均在N極下；左側(cè)導(dǎo)體中電流均為流出紙面，且均在S極下。若此時(shí)電動(dòng)機(jī)氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度保持均勻分布，其大小為B值，方向與導(dǎo)體相垂直，則導(dǎo)體上所受到的總轉(zhuǎn)矩為:

TD=rBILZD

式中，ZD是導(dǎo)體總數(shù)；I是流過(guò)每個(gè)導(dǎo)體的電流(A)，如果所有導(dǎo)體串聯(lián)，即為電動(dòng)機(jī)輸入端電流；r是電動(dòng)機(jī)氣隙半徑(m)；L是導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度(m)。

圖3 磁力線和轉(zhuǎn)子內(nèi)的電流分布

對(duì)于某一特定的電動(dòng)機(jī)而言，其導(dǎo)體總數(shù)、每根導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度以及電動(dòng)機(jī)的半徑均已確定，且磁感應(yīng)強(qiáng)度B取決于永久磁鐵的磁性材料及磁路結(jié)構(gòu)，對(duì)某一臺(tái)具體的電動(dòng)機(jī)而言，也是一個(gè)常數(shù)，即乘積(rBLZD)為一常數(shù)，現(xiàn)將其定義為該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT(N×m/A)，即：

KT=rBLZD

因此，TD=KTI。

2．右手定則

有刷與無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中的導(dǎo)體因做切割磁力線運(yùn)動(dòng)會(huì)在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)E，其大小為：E=vBL。

其中：v為導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度（單位：m/s），B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位：T），L為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度（單位：m）。

同樣，如果磁感應(yīng)強(qiáng)度B和L不互相垂直，而是成一定夾角q，則有E=vBL sinq。

電動(dòng)勢(shì)E的方向按右手定則判斷，如圖4所示。即伸開(kāi)右手，使大拇指和其余四指垂直放在一個(gè)平面上，把手心面向N極，大拇指對(duì)著導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向，那么四指所指的方向就是該導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向。若電動(dòng)機(jī)以角速度w (rad/s)旋轉(zhuǎn)，則速度v為:v=wr。其中r是導(dǎo)體所在位置至旋轉(zhuǎn)中心的距離(m)。

圖4 右手定則

在作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，端電壓必定大于電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若按電動(dòng)機(jī)慣例，以輸入電流作為電樞電流正方向，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電流正方向相反，故稱E為反電動(dòng)勢(shì)。于是有E=wrBL。

若導(dǎo)體總數(shù)為ZD，而它們互相串聯(lián)，則總反電動(dòng)勢(shì)為E=wrBLZD。

同樣，對(duì)某一臺(tái)具體的電動(dòng)機(jī)而言，乘積(rBLZD)為一常數(shù)，令反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)KE= rBLZD，則有E=KEw。

由此可見(jiàn)，如果采用統(tǒng)一的單位制，則在數(shù)值上KT=KE，但它們代表了不同的物理概念，其量綱也不同。它們分別反映了電動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)電能量相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中的數(shù)量關(guān)系。KT反映了電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能力強(qiáng)弱，而KE則反映機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的能力強(qiáng)弱。在同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)里面，上述兩種過(guò)程都是蘊(yùn)含在同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)中，在電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)為電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換起主導(dǎo)作用，電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)時(shí)，處于發(fā)電狀態(tài)，表現(xiàn)為機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)換起主導(dǎo)作用。

由上述分析可見(jiàn)，直流電動(dòng)機(jī)在完成機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中，都是基于電磁相互作用原理，這一點(diǎn)對(duì)所有類型電動(dòng)機(jī)而言都是相同的。

3．右手螺旋定則

用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。如圖5 所示。

線圈的纏繞方向一致時(shí)，通電螺線管的磁場(chǎng)方向與電流方向有關(guān)。如圖6所示。

圖5 右手螺旋定則

圖6 通電螺旋管的磁場(chǎng)方向

二、 換相原理

無(wú)刷直流電機(jī)主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器（可有可無(wú)）組成。

在圖7 中，當(dāng)兩頭的線圈通上電流時(shí)，根據(jù)右手螺旋定則，會(huì)產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B（如粗箭頭方向所示），而中間的轉(zhuǎn)子會(huì)盡量使自己內(nèi)部的磁力線方向與外磁力線方向保持一致，以形成一個(gè)最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會(huì)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)了。

圖7 換向原理圖示1

磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)方向一致時(shí)，轉(zhuǎn)子所受磁力最大，但此時(shí)轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài)，轉(zhuǎn)子力臂為0。雖然不再受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用，但由于慣性原因，還會(huì)繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)若改變兩頭螺線管的電流方向，轉(zhuǎn)子就會(huì)繼續(xù)順時(shí)針向前轉(zhuǎn)動(dòng)，見(jiàn)圖8所示。

圖8 換向原理圖示2

如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內(nèi)轉(zhuǎn)子就會(huì)不停轉(zhuǎn)起來(lái)了。改變電流方向的這一動(dòng)作，就叫做換相(commutation)。換相時(shí)刻只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。

三、工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)要轉(zhuǎn)動(dòng)，需先要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號(hào)確定轉(zhuǎn)子位置，然后通過(guò)電子換相線路去驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）工作原理框圖如圖9所示。

圖9 BLDCM工作原理框圖

一般BLDCM的具體控制框圖如圖10所示，定子三相繞組是相差120°對(duì)稱分布的，圖10中三相繞組是星型連接的；其中六個(gè)功率管的開(kāi)關(guān)由控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來(lái)決定。

圖10 BLDCM控制框圖

因此，通過(guò)控制電路控制VT1~VT6六個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)順序，來(lái)完成對(duì)電機(jī)線圈的通電順序，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相操作，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

如圖11顯示繞組星型連接的具體接線圖，整個(gè)電機(jī)就引出三根線A, B, C。當(dāng)它們之間兩通電時(shí)，有6種情況，分別是AB, AC, BC, BA, CA, CB，圖12 (a)~(f)分別描述了這6種情況下每個(gè)通電線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向（短箭頭表示）和兩個(gè)線圈的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度方向（長(zhǎng)箭頭表示）。

圖11 繞組星型連接

在圖12 (a)中，AB相通電，中間的轉(zhuǎn)子（圖中未畫(huà)出）會(huì)盡量往長(zhǎng)箭頭方向?qū)R，當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)圖12 (a)中長(zhǎng)箭頭位置時(shí)，外線圈換相，改成AC相通電，這時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，并盡量往圖12 (b)中的長(zhǎng)箭頭處對(duì)齊，當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)圖12(b)中箭頭位置時(shí)，外線圈再次換相，改成BC相通電，再往后以此類推。當(dāng)外線圈完成6次換相后，內(nèi)轉(zhuǎn)子正好旋轉(zhuǎn)一周（即360°）。

圖12講的只是原理，實(shí)際操作的時(shí)候不會(huì)讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子磁場(chǎng)方向?qū)R，而是定子主磁場(chǎng)方向一直超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)一定的角度，這樣才會(huì)使轉(zhuǎn)矩較大，一般利用hall檢測(cè)位置的話是會(huì)60°換相（磁場(chǎng)跳躍60°）一次，換相后定子主磁場(chǎng)方向超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)120°，由于轉(zhuǎn)子受到定子磁場(chǎng)的作用，轉(zhuǎn)子會(huì)向定子磁場(chǎng)對(duì)齊的方向旋轉(zhuǎn)，從與定子主磁場(chǎng)方向120°轉(zhuǎn)動(dòng)60°到兩者夾角為60°，這樣可以使產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩的垂直位置正好處于本次通電的中間時(shí)刻，然后定子主磁場(chǎng)再次向前跳躍60°，這樣轉(zhuǎn)子又會(huì)慢慢跟上來(lái)，如此往復(fù)就可實(shí)現(xiàn)BLDCM的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖13 說(shuō)明的是換相前和換相后的定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置。

圖12 星型連接兩兩通電的6種情況

圖13 換相前后的情況

注意：機(jī)械角度是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，可由Θm表示；電角度是指磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角度，可由Θe表示。當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對(duì)極時(shí)，機(jī)械角度Θm=Θe；當(dāng)轉(zhuǎn)子為n對(duì)極時(shí)，Θe=nΘm。