第一节 直流无刷电机结构解析1. 直流无刷电机的主要组成部分1.1 什么是直流无刷电机直流无刷电机通常简称为BLDCBrushless DC Motor。它使用永磁体建立转子磁场使用电子驱动器控制定子绕组依次通电以电子换相代替有刷直流电机中的电刷和机械换向器。需要注意“直流”指驱动系统的输入通常来自直流母线并不表示电机三相绕组中始终流过方向不变的直流电。驱动器会把直流母线电压变换成按一定规律变化的三相电压和电流。直流电源 → 电子驱动器 → 定子三相绕组 → 旋转磁场 ↓ 机械负载 ← 转轴 ← 永磁转子 ← 电磁转矩与有刷直流电机相比直流无刷电机具有磨损小、效率高、寿命长和便于精确控制等优点但必须配合电子驱动器工作。下图为智元关节模组结构外转子需要注意关节电机也属于直流无刷电机【1】下图为大疆云台直流无刷电机结构也是外转子【2】下图为国外猎豹系列机械狗所使用的关节电机【3】下图为宇树科技内转子关节电机【4】1.2 定子定子是电机中保持静止的部分主要由定子铁芯、定子绕组和绝缘结构组成。定子铁芯定子铁芯通常由多片硅钢片叠压而成其主要作用是为磁通提供低磁阻通路放置和固定定子绕组减小交变磁场产生的涡流损耗将电磁力传递到电机机壳。定子铁芯上通常分布着定子齿和定子槽。绕组放置在槽内齿部靠近气隙并参与形成气隙磁场。定子绕组三相无刷电机通常具有 U、V、W 三相绕组。绕组通电后产生磁动势三相磁动势在空间中合成旋转磁场。常见绕组形式包括集中绕组线圈集中绕在单个齿或相邻少数齿上端部短、用铜量少适合紧凑型电机分布绕组同一相线圈分布在多个槽中气隙磁场更容易接近正弦波单层绕组每个槽内放置一个线圈边双层绕组每个槽内放置属于不同线圈的两个线圈边星形连接Y和三角形连接Δ描述三相绕组之间的电气连接方式。【5】绕组匝数、线径、槽满率和串并联方式会共同影响电机的电阻、电感、转速常数Kv、转矩常数Kt和持续电流能力。1.3 转子转子是电机中旋转的部分主要由永磁体、转子铁芯或磁轭、转子支架以及转轴组成。永磁体永磁体为电机提供稳定的励磁磁场常用材料是钕铁硼。磁钢沿圆周按照 N 极、S 极交替排列。常见磁钢结构包括表贴式磁钢贴在转子铁芯表面结构简单BLDC 和表贴式 PMSM 中很常见内嵌式磁钢安装在转子铁芯内部机械强度较高还可能产生磁阻转矩辐条式磁钢沿径向布置可以形成聚磁效果。极数与极对数一个 N 极和一个 S 极组成一对磁极。若电机具有2p个磁极则极对数为p。电角度和机械角度的关系为θe p × θm因此转子机械旋转一周时电气状态会重复p个周期。极对数越多相同机械转速下的电频率越高。1.4 气隙气隙是定子和转子之间很小的间隔也是定子磁场与转子磁场进行能量转换的关键区域。气隙较小磁阻较小有利于提高气隙磁密和转矩密度但对加工、装配和轴承精度要求更高气隙较大对转子偏心和机械误差的容忍度更高但励磁利用率下降。气隙不均匀会造成不平衡磁拉力、噪声、振动严重时还可能引起定子和转子擦碰。1.5 转轴、轴承、机壳与端盖部件主要作用转轴将转子的电磁转矩传递给负载轴承支撑转子、限制径向和轴向位移并减小摩擦机壳固定定子、保护内部结构并传递热量端盖定位轴承、封闭电机并保持转子与定子的同轴度电机装配时需要重点控制轴承配合、转子动平衡、气隙均匀性以及转轴的径向跳动。1.6 转子位置传感器电子换相需要知道转子磁极所在的位置。常见位置检测方式包括霍尔传感器结构简单、成本低常用于六步换相磁编码器体积小可提供连续角度适合伺服和关节电机光电编码器精度高但对安装和环境要求较高旋转变压器耐高温、抗振动常用于汽车和恶劣环境无位置传感器估算利用反电动势、电流和电机模型估算转子位置。1.7 电子驱动器电子驱动器通常不属于电机本体但它是无刷电机系统不可缺少的部分。三相驱动器通常由六个功率开关组成三相全桥通过控制各桥臂的导通状态实现电子换相PWM 调压和调速电流与转矩控制正反转和制动过流、过压和过温保护。2. 直流无刷电机的分类一台无刷电机可以同时具有多个分类标签。例如一台关节电机可以同时是“三相、外转子、径向磁通、有槽、集中绕组、有位置传感器”的电机。下面的分类方式彼此并不排斥。2.1 按相数分类类型主要特点常见应用单相无刷电机驱动简单、成本低但转矩脉动较大散热风扇、小型风机两相无刷电机平稳性优于单相应用相对较少部分小型驱动设备三相无刷电机转矩较平稳、效率高、控制方式成熟无人机、电动车、伺服、机器人关节三相结构是目前中高功率和高性能无刷电机中最常见的形式。2.2 按转子位置分类内转子电机转子位于定子内部定子环绕转子。第1小节中的大部分电机均为内转子电机外侧机壳和定子 中间气隙 内侧永磁转子和转轴主要特点转子半径和转动惯量通常较小动态响应快转子机械强度较容易保证适合较高转速定子靠近机壳散热路径通常较直接常用于伺服电机、电动工具和高速驱动。外转子电机定子位于内部带永磁体的转子外壳在定子外侧旋转。上图介绍的宇树科技的电机为外转子电机外侧杯形永磁转子 中间气隙 内侧定子和支撑轴主要特点有效电磁作用半径较大有利于获得较高转矩转动惯量通常较大结构容易做成大直径和中空形式常用于无人机、云台、轮毂和部分机器人关节。外转子不等于低速电机最终转速仍由极数、绕组、母线电压和负载等因素共同决定。2.3 按磁通方向分类径向磁通电机主磁通沿电机半径方向穿过气隙是内转子和外转子无刷电机中最常见的结构制造工艺成熟、应用范围广。轴向磁通电机主磁通沿电机轴线方向穿过气隙。其结构容易做成大直径、短轴向尺寸的扁平形状具有较高转矩密度潜力但磁路、散热、气隙控制和制造工艺更复杂。2.4 按定子槽结构分类类型主要特点有槽电机绕组放置在铁芯槽内转矩密度高但存在齿槽转矩无槽电机齿槽转矩小、运行平滑但气隙等效增大散热与绕组固定更困难2.5 按绕组布置分类集中绕组端部短、铜耗低、结构紧凑分数槽集中绕组在外转子和关节电机中较常见分布绕组磁场波形通常更平滑适合低噪声和精密伺服整数槽绕组每极每相槽数为整数分数槽绕组每极每相槽数不是整数槽极组合更灵活。每极每相槽数为q Q / (2pm)其中Q为定子总槽数2p为磁极数m为相数。三相电机中m 3。2.6 按位置检测方式分类有位置传感器电机通过霍尔传感器或编码器直接测量转子位置启动和低速运行更可靠适合位置、速度和转矩控制但成本和结构复杂度较高。无位置传感器电机根据反电动势或电机模型估算转子位置结构简单、成本低高速运行效果较好但静止启动和低速控制更困难。2.7 按反电动势和控制方式区分在严格的工程定义中BLDC 和 PMSM 都属于永磁无刷电机但通常按以下方式区分对比项BLDCPMSM反电动势接近梯形波接近正弦波目标相电流方波或近似方波正弦波常用控制六步换相正弦控制、FOC转矩脉动相对明显通常较小控制复杂度较低较高两者的机械结构可能非常相似实际边界也不是绝对的。同一台永磁无刷电机可以尝试不同控制方法但反电动势波形、绕组设计和位置传感精度会影响最终效果。3. 三相无刷直流电机3.1 三相电机的基本结构三相无刷直流电机具有 U、V、W 三相定子绕组。三相绕组的磁轴在空间中依次错开驱动器按转子位置切换电流方向使合成磁场沿圆周移动永磁转子随之连续旋转。一个完整驱动系统通常包括直流母线 ↓ 三相逆变桥6 个功率开关 ↓ U、V、W 三相绕组 ↓ 定子旋转磁场 ↓ 永磁转子输出转矩3.2 三相全桥驱动三相逆变桥由 U、V、W 三个桥臂组成每个桥臂各有一个上桥臂开关和一个下桥臂开关共六个功率开关。直流母线正极 │ │ │ U上 V上 W上 │ │ │ U V W → 电机三相 │ │ │ U下 V下 W下 │ │ │ 直流母线负极同一桥臂的上、下开关不能同时导通否则会使直流母线短路。实际驱动中需要设置死区时间。3.3 六步换相原理传统三相 BLDC 通常采用六步换相。每个换相区间持续60°电角度主要有两相通电另外一相悬空。下面给出一种正转换相顺序步骤正向通电相负向通电相悬空相1UV−W2UW−V3VW−U4VU−W5WU−V6WV−U完成第 6 步后重新回到第 1 步形成连续旋转磁场。反向执行换相顺序即可改变电机转向。这里的U表示电流由驱动器流入 U 相V−表示电流由 V 相流回驱动器。实际产品的相序和霍尔状态映射可能不同不能仅凭表格固定接线。3.4 霍尔传感器与换相位置带霍尔传感器的三相 BLDC 通常使用三个霍尔元件检测转子磁极位置。三个数字霍尔信号可以组合成六个有效状态对应六个换相区间。控制过程可以概括为读取霍尔状态 → 判断转子所在扇区 → 选择导通相 → PWM 调节电流霍尔元件的机械安装角度取决于极对数其信号关系通常用电角度描述。常见设计采用120°电角度间隔但具体状态表必须以电机相序和传感器安装方向为准。无位置传感器六步控制通常检测悬空相的反电动势过零点再延时约30°电角度执行换相。由于静止时没有反电动势启动阶段一般需要先进行开环拖动。3.5 反电动势、电流与转矩传统 BLDC 的相反电动势接近梯形波。为了获得较平稳的电磁转矩通常让相电流在反电动势平顶区间接近方波。在未进入磁饱和且换相正常时转矩可以近似写成T ≈ Kt × I其中Kt是转矩常数I必须与厂家定义的电流口径一致。换相重叠、相电感、反电动势波形偏差和电流纹波都会引起转矩脉动。3.6 星形连接与三角形连接星形连接Y三相绕组的一端连接在一起形成星点另外三端引出为 U、V、W。U ──[U相绕组]──┐ V ──[V相绕组]──┼── N星点 W ──[W相绕组]──┘理想对称条件下线电压 √3 × 相电压 线电流 相电流三角形连接Δ三相绕组首尾相连形成闭合三角形三个连接点分别引出 U、V、W。U / \ W相 U相 / \ W──V相──V理想对称条件下线电压 相电压 线电流 √3 × 相电流对于同一套相绕组在不改变匝数和母线电压、只改变 Y/Δ 接法的理想情况下对比项Y 连接Δ 连接外部表现的Kv较低约为 Y 的√3倍按线电流定义的Kt较高约为 Y 的1/√3典型倾向较低转速、较高线电流转矩系数较高转速、较低线电流转矩系数三角形连接还可能出现谐波环流因此接法不能只根据“要转矩还是要转速”决定还需要结合绕组参数、母线电压、驱动器电流能力和温升进行选择。关节电机常见 Y 连接但并不是强制规则。3.7 三相 BLDC 的主要特点优点没有电刷和机械换向器维护量小功率密度和效率较高调速范围宽容易实现正反转和制动三相结构比单相结构运行平稳适合与数字控制器和位置传感器配合。局限必须使用电子驱动器六步换相存在一定转矩脉动和电磁噪声无位置传感器方案在低速和静止启动时控制困难驱动器相序、霍尔顺序和换相时刻必须正确匹配。3.8 在关节电机中的应用机器人关节更关注低速平稳性、转矩控制精度、温升和噪声。其电机本体通常采用三相永磁无刷结构并配合高分辨率编码器和 FOC 控制。此时从机械结构看仍然属于无刷永磁电机但从反电动势设计和控制模型看通常更接近 PMSM而不是传统六步换相 BLDC。学习关节电机时可以按下面的顺序理解定子与转子结构 ↓ 槽数、极数与绕组形式 ↓ 反电动势、电阻、电感、Kv、Kt ↓ 位置传感器与逆变器 ↓ 六步换相或 FOC 控制##参考资料https://www.bilibili.com/video/BV1CToTY6Erk/?spm_id_from333.337.search-card.all.clickvd_source9793e886ab045c1ca0dbfa696ca63305https://blog.csdn.net/qq366563421/article/details/108519646?ops_request_miscelastic_search_miscrequest_id028065cff47e862a73d5aee4f62095fbbiz_id0utm_mediumdistribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~ElasticSearch~search_v2-6-108519646-null-null.142^v102^pc_search_result_base3utm_term%E6%97%A0%E5%88%B7%E7%94%B5%E6%9C%BA%E7%BB%93%E6%9E%84%E8%A7%A3%E6%9E%90spm1018.2226.3001.4187MIT机器狗旋转关节拆解_哔哩哔哩_bilibili拆个电机-宇树Z1_哔哩哔哩_bilibili