最全講解 | 無刷電機工作及控制原理

本文分享了無刷電機工作原理的相關知識，只要有高一物理知識的朋友就能夠看得懂，希望有興趣的朋友耐心往下看，相互學習~

基礎定則回顧

首先給大家復習幾個基礎定則：左手定則、右手定則、右手螺旋定則。

左手定則

這個是電機轉動受力分析的基礎，簡單說就是磁場中的載流導體，會受到力的作用。讓磁感線穿過手掌正面，手指方向為電流方向，大拇指方向為產生磁力的方向。

左手定則示意圖

右手定則

這是產生感生電動勢的基礎，跟左手定則的相反，磁場中的導體因受到力的牽引切割磁感線產生電動勢。讓磁感線穿過掌心，大拇指方向為運動方向，手指方向為產生的電動勢方向。

右手定則示意圖

為什么要講感生電動勢呢？不知道大家有沒有類似的經歷，把電機的三相線合在一起，用手去轉動電機會發現阻力非常大，這就是因為在轉動電機過程中產生了感生電動勢，從而產生電流，磁場中電流流過導體又會產生和轉動方向相反的力，大家就會感覺轉動有很大的阻力。不信可以試試。

三相線分開，電機可以輕松轉動

三相線合并，電機轉動阻力非常大

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。這個定則是通電線圈判斷極性的基礎，紅色箭頭方向即為電流方向。

右手螺旋定則示意圖

看完了三大定則，我們接下來先看看電機轉動的基本原理。

直流電機模型

我們找到一個中學物理學過的直流電機的模型，通過磁回路分析法來進行一個簡單的分析。

圖1 直流電機-狀態一

如圖1所示，當兩頭的線圈通上電流時，根據右手螺旋定則，會產生方向指向右的外加磁感應強度B（如粗箭頭方向所示）；而中間的轉子會盡量使自己內部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致，以形成一個最短閉合磁力線回路，這樣內轉子就會按順時針方向旋轉了。

當轉子磁場方向與外部磁場方向垂直時，轉子所受的轉動力矩最大。注意這里說的是“力矩”最大，而不是“力”最大。誠然，在轉子磁場與外部磁場方向一致時，轉子所受磁力最大，但此時轉子呈水平狀態，力臂為0，當然也就不會轉動了。補充一句，力矩是力與力臂的乘積。其中一個為零，乘積就為零了。

當轉子轉到水平位置時，雖然不再受到轉動力矩的作用，但由于慣性原因，還會繼續順時針轉動，這時若改變兩頭螺線管的電流方向，如圖2所示，轉子就會繼續順時針向前轉動。

圖2 直流電機-狀態二

如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內轉子就會不停轉起來了。改變電流方向的這一動作，就叫做換相。補充一句：何時換相只與轉子的位置有關，而與其他任何量無直接關系。

三相二級內轉子電機

一般來說，定子的三相繞組有星形聯結方式和三角聯結方式，而“三相星形聯結的二二導通方式”最為常用，這里就用該模型來做個簡單分析。

圖3 三相星形聯結的二二導通方式

圖3顯示了定子繞組的聯結方式（轉子未畫出假想是個二極磁鐵），三個繞組通過中心的連接點以“Y”型的方式被聯結在一起。整個電機就引出三根線A、B、C。當它們之間兩兩通電時，有6種情況，分別是AB、AC、BC、BA、CA、CB。注意這是有順序的。

圖4 第一階段：AB相通電情形

如圖4所示，當AB相通電，則A極線圈產生的磁感線方向如紅色箭頭所示，B極產生的磁感線方向如藍色箭頭所示，那么產生的合力方向即為綠色箭頭所示。假設其中有一個二極磁鐵，根據“中間的轉子會盡量使自己內部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”，則N極方向會與綠色箭頭所示方向重合。至于C，暫時沒它什么事。

圖5 第二、三、四階段

為了節省篇幅，我們就不一一描述CA、CB的模型，大家可以自己類推一下。以下為中間磁鐵（轉子）的狀態圖，如圖6所示。

圖6 中間磁鐵（轉子）狀態圖

每個過程轉子旋轉60度，如圖7所示。

圖7

六個過程即完成了完整的轉動，其中6次換相。