一、三個基本定則

1．左手定則

位于磁場中的載流導(dǎo)體，會受到力的作用，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)體在磁場中的受力方向。

力的大小為： F =BIL

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

如果磁感應(yīng)強度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

考慮到一個線圈往往有兩個有效邊AD和CD，如圖2(a)所示。在磁場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，方向為順時針，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 處于磁場中線圈的受力情況

同樣，如果磁感應(yīng)強度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機的橫斷面，并假設(shè)在對稱軸O-O￠的右側(cè)導(dǎo)體中，電流是以同一方向流動（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。若此時電動機氣隙中的磁感應(yīng)強度保持均勻分布，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是流過每個導(dǎo)體的電流(A)，如果所有導(dǎo)體串聯(lián)，即為電動機輸入端電流；r是電動機氣隙半徑(m)；L是導(dǎo)體的有效長度(m)。

圖3 磁力線和轉(zhuǎn)子內(nèi)的電流分布

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

KT=rBLZD

因此，TD=KTI。

2．右手定則

有刷與無刷直流電動機中的導(dǎo)體因做切割磁力線運動會在其中感應(yīng)出電動勢E，其大小為：E=vBL。

其中：v為導(dǎo)體的運動速度（單位：m/s），B為磁感應(yīng)強度（單位：T），L為導(dǎo)體的有效長度（單位：m）。

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

電動勢E的方向按右手定則判斷，如圖4所示。即伸開右手，使大拇指和其余四指垂直放在一個平面上，把手心面向N極，大拇指對著導(dǎo)體運動方向，那么四指所指的方向就是該導(dǎo)體在磁場中所產(chǎn)生的電動勢方向。若電動機以角速度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

在作為電動機運行時，端電壓必定大于電樞繞組的感應(yīng)電動勢。若按電動機慣例，以輸入電流作為電樞電流正方向，則感應(yīng)電動勢與電流正方向相反，故稱E為反電動勢。于是有E=wrBL。

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

同樣，對某一臺具體的電動機而言，乘積(rBLZD)為一常數(shù)，令反電動勢常數(shù)KE= rBLZD，則有E=KEw。

由此可見，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機內(nèi)部機電能量相互轉(zhuǎn)化過程中的數(shù)量關(guān)系。KT反映了電能轉(zhuǎn)換為機械能的能力強弱，而KE則反映機械能轉(zhuǎn)換為電能的能力強弱。在同一臺電動機里面，上述兩種過程都是蘊含在同一臺電動機中，在電動機處于電動狀態(tài)，表現(xiàn)為電能向機械能轉(zhuǎn)換起主導(dǎo)作用，電動機在制動時，處于發(fā)電狀態(tài)，表現(xiàn)為機械能向電能轉(zhuǎn)換起主導(dǎo)作用。

由上述分析可見，直流電動機在完成機電能量的相互轉(zhuǎn)換過程中，都是基于電磁相互作用原理，這一點對所有類型電動機而言都是相同的。

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，通電螺線管的磁場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 通電螺旋管的磁場方向

二、 換相原理

無刷直流電機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）組成。

在圖7 中，當兩頭的線圈通上電流時，根據(jù)右手螺旋定則，會產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強度B（如粗箭頭方向所示），而中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁力線方向與外磁力線方向保持一致，以形成一個最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會按順時針方向旋轉(zhuǎn)了。

圖7 換向原理圖示1

磁場與外部磁場方向一致時，轉(zhuǎn)子所受磁力最大，但此時轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài)，轉(zhuǎn)子力臂為0。雖然不再受到轉(zhuǎn)動力矩的作用，但由于慣性原因，還會繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，這時若改變兩頭螺線管的電流方向，轉(zhuǎn)子就會繼續(xù)順時針向前轉(zhuǎn)動，見圖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)子就會不停轉(zhuǎn)起來了。改變電流方向的這一動作，就叫做換相(commutation)。換相時刻只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。

三、工作原理

無刷直流電機要轉(zhuǎn)動，需先要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號確定轉(zhuǎn)子位置，然后通過電子換相線路去驅(qū)動電機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，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。無刷直流電機（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°對稱分布的，圖10中三相繞組是星型連接的；其中六個功率管的開關(guān)由控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來決定。

圖10 BLDCM控制框圖

因此，通過控制電路控制VT1~VT6六個開關(guān)管的開關(guān)順序，來完成對電機線圈的通電順序，以實現(xiàn)電機的換相操作，從而實現(xiàn)電機的運轉(zhuǎn)。

如圖11顯示繞組星型連接的具體接線圖，整個電機就引出三根線A, B, C。當它們之間兩通電時，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種情況下每個通電線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的方向（短箭頭表示）和兩個線圈的合成磁感應(yīng)強度方向（長箭頭表示）。

圖11 繞組星型連接

在圖12 (a)中，AB相通電，中間的轉(zhuǎn)子（圖中未畫出）會盡量往長箭頭方向?qū)R，當轉(zhuǎn)子到達圖12 (a)中長箭頭位置時，外線圈換相，改成AC相通電，這時轉(zhuǎn)子會繼續(xù)運動，并盡量往圖12 (b)中的長箭頭處對齊，當轉(zhuǎn)子到達圖12(b)中箭頭位置時，外線圈再次換相，改成BC相通電，再往后以此類推。當外線圈完成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，實際操作的時候不會讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子磁場方向?qū)R，而是定子主磁場方向一直超前轉(zhuǎn)子磁場一定的角度，這樣才會使轉(zhuǎn)矩較大，一般利用hall檢測位置的話是會60°換相（磁場跳躍60°）一次，換相后定子主磁場方向超前轉(zhuǎn)子磁場120°，由于轉(zhuǎn)子受到定子磁場的作用，轉(zhuǎn)子會向定子磁場對齊的方向旋轉(zhuǎn)，從與定子主磁場方向120°轉(zhuǎn)動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刻，然后定子主磁場再次向前跳躍60°，這樣轉(zhuǎn)子又會慢慢跟上來，如此往復(fù)就可實現(xiàn)BLDCM的連續(xù)轉(zhuǎn)動。圖13 說明的是換相前和換相后的定子和轉(zhuǎn)子磁場位置。

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：機械角度是指電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，可由Θm表示；電角度是指磁場的旋轉(zhuǎn)角度，可由Θe表示。當轉(zhuǎn)子為一對極時，機械角度Θm=Θe；當轉(zhuǎn)子為n對極時，Θe=nΘm。