无刷直流电动机矢量控制（二）——无刷直流电机的工作原理及其内部结构

相信很多同学刚开始学习无刷直流机的时候，都比较困惑其具体的工作原理，在这里一起梳理一下。（本文图片来源于飞思卡尔公司技术文档PZ104）

1 BLDC工作原理

首先我们看上面这张图，当两头线圈通电的时候，根据右手螺旋定则（用右手握住通电螺线管，四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所致方向为N极）。受到磁场作用，中间的转子（永磁体）会尽量使自己内部的磁力线和外部的磁力线方向保持一致，因此转子会运动起来。转子的运动方向，与通电螺线管的电流方向有关，上图所示的通电方向转子为顺时针转动。

当转子位置旋转到水平位置时，转子所受力矩为0，但是由于惯性的作用，此时电机的转矩会继续顺时针转动，如果在这个时候，将电流的方向反向，那么电机的转子将会继续按照顺时针转动，如下图所示。顺便提一句，这个地方的原理让我想到了BLDC检测电路中的过零点检测回路，相信与这个关系较大。如果我们不管的在转子过水平的临界点进行电流换向，那么电机的转子就会持续的旋转起来。改变电流方向的这个操作，就叫做换相。很多时候，如果不探寻到电机转子运动的原理上去，其实很难理解为什么电机需要换相操作，我也是今天梳理才知道这个地方为什么需要这么做。

这里需要注意的一个地方：换相操作，只和电机的转子位置有关，与电机的转速没有关系。

2 内部结构和实际运行过程

电机的内部肯定不会是这么简单的直流结构，电机内部一般是通过三相线圈绕组，并通过星接或者角接的形式结合在一起，那么涉及的供电方式就会比上面的原理更复杂。下图为一个较为普遍的三相两极星接的一个电机内部结构。

从图中可以看出，三个绕组通过中心点Y连接在一起。整个电机就引出三根线ABC，当他们两两通电时，就会构成第一节里面的小单元，一共有6种情况，AB\AC\BC\BA\CA\CB（这里需要注意一个点，AB和BA虽然都是A和B两相通电，但是电流方向不同，所以取得的效果也不同）。上述六种情况会产生六种不同的工作磁路，如下图所示。以其中一个为例进行分析，当AB通电时，且A为正极，B为负极，根据右手螺旋定则，A相产生的磁场方向如红色箭头所示，B相线圈产生的磁场方向如蓝箭头方向所示，那么电机就会产生绿色的箭头方向的合成磁动势。电机的永磁体转子就会向着绿色箭头所在位置旋转。在这六种状态中，按照特定的顺序切换，电机就会持续的旋转起来。（转子的位置就在中心）

小结：

1、通电导体在磁场中受力，通电线圈会产生磁场，是电机运行的基本物理原理。

2、永磁体转子会在磁场的作用下，跟随通电线圈的磁力线方向运动，在转子位置到达水平时，更改电流方向，也就是更改磁力线方向，电机能够旋转起来。

3、在三相电机中，整个360°存在6中相位状态AB\AC\BC\BA\CA\CB，不同状态对应不同的磁动势位置，在空间中呈60°间隔份部，从而使得电机能够实现旋转。

这一节内容呢，我认为是较为关键的，因为我们学过PWM知道的，调制的原理要结合电机本体的磁场控制，所以对于BLDC而言，了解了他的具体工作原理，有助于我们后面去对他进行控制，嘿嘿，当然复杂的控制理论前，调制是最为关键的异步，需要学会发波，发出能够让电机旋转的PWM，那么后面的就不愁了。