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摘要：无刷直流电动机因其无电刷和机械换向器，不需要减速装置，噪声低等优点，被广泛应用于电动自行车中，本文着重分析了无刷直流电动机的工作原理及结构、控制技术，以及在电动自行车中的应用特点。
关键词：无刷直流电动机；原理及结构；控制技术
随着我国改革开放的深入和社会生产力的发展，人们生活节奏的加快，活动范围的不断扩大，人们希望获得一种轻便快捷、简单安全的交通工具。前几年，人们选择了燃油助动车，但由于燃油助动车采用小容量二冲程汽油发动机为动力，其废气排放浓度是一般轿车的3-5倍，其污染问题引起了社会各界和主管部门的高度重视。在上海、苏州等大中城市，于1996年便开始禁止燃油助动车上牌照。而电动自行车因为轻便、快捷，适应了现代人追求环保、效率、安全的需要，所以受到了广大消费者的普遍欢迎，得以再度兴起。1998年我国电动自行车的年产量约6万辆，1999年产量翻番，达13万辆，主要生产集中在华东地区。进入2000年以来，不少地区的销售情况也十分喜人，市场前景广阔。电动自行车并不是简单地在自行车上加上电池和电动机，而是包括电池、控制系统、传动系统、电机四大块，并且采用了很多的新技术和新材料。单从其驱动装置———电机来看就有很高的技术含量。电动自行车的电机经过十多年的发展，曾经有变频电机、开关磁阻电机、有刷直流电机、无刷电机等多种驱动方案。经过市场验证，目前较为成熟的有两大类：一类是带减速齿轮的有刷电机，有盘式结构和圆柱结构两种；另一类是不带减速齿轮的直接驱动的无刷直流电机。
1 工作原理与结构
1.1 工作原理一般所说的直流电动机是指具有换向器和电刷的直流电动机。在这种电动机中定子侧安装固定主磁极和电刷，转子侧安放电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载。然而由于电刷和换向器的存在，结果产生了一系列致命的弱点：a、结构复杂，可靠性差，故障多，需要维护，维护又困难，寿命短。b、换向火花形成电磁干扰。无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上，为去除电刷和换向器而研究开发的。由于无刷直流电动机没有电刷和换向器，它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩，就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。为实现这一点，就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。一般采用位置传感器来完成，由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去驱动功率器件，控制相应绕组电流的通、断。与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上，而电枢绕组安装在定子上。位置传感器也有相应的两部分，转动部分和电动机本体中转子同轴连接（转动部分通常由电机转子代替），固定部分与定子相连。
 图1 无刷直线电动机原理示意图 。如图1所示，在电动机装配过程中，首先调整好位置传感器的三个信号元件（a、b、c）与电机定子三相绕组（AX，BY，CZ）之间的相对位置，使得转子磁场转到定子某相绕组下时，该相绕组才导通，以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图1中，当电动机转子N极位于A（a）处，则传感器a元件感应出信号，使功率晶体管V1导通，A相绕组中便有电流通过，设其方向为A（流入）、X（流出），便产生水平向左的定子磁场，与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转；当N极旋转至B（b）处，b元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断，B 相绕组通过电流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至C（c）处，其动作过程与前两处相同。如此反复循环，电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位置为空间互差120°电角度，因此三相绕组轮流通电时间也因为每相120°。因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的，所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应，在电机安装时应加以注意。
1.2 结构电动自行车的电机受体积和成本限制，通常制成盘式电动机，安装在车轮的轮毂内，轮毂由辐条与车圈连接，直接带动车轮转动。由工作原理可知，无刷直流电动机除电动机本体外，还包括位置传感器和电子开关线路（即控制器）。如图2所示。
 图2 无刷直流电动机基本组成框图 电动机内部结构分定子和转子两部分。定子是由定子铁心，电枢绕组及其引出线，传感元件及其引出线，定子支架，轴等部分组成。定子电枢铁心是由硅钢片冲片叠压而成的，由于电机径向尺寸大，轴向尺寸短，定子铁心一般做成多对极多个槽数，以满足大力矩、低转速的要求。定子绕组的形式和多相的永磁同步电动机类似，它在实现能量转换过程中起着重要的作用。绕组相数多取三相，并采用Y型联接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，即为三相半控驱动方式。电机的转子为外转子形式，由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，...）组成，磁钢材料一般采用铁氧体、钕铁硼或钐钴（稀土磁钢）等。
2 控制技术
2.1 位置传感器
由工作原理可知，位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。由于电动自行车的电机安装在轮毂内，对电机的尺寸和位置传感器体积的要求都比较高，考虑传感器的体积和性能，通常采用的传感器是磁敏式开关式传感器，目前使用最广泛的是霍尔元件集成电路。霍尔元件是根据霍尔效应制成的，即当有电流渡过和有磁场穿过霍尔元件时，元件内会产生霍尔电势，在磁场位置变化时霍尔电势会完全反映磁场的变化，这样就可起到传感位置的作用，根据转子磁极的位置来产生位置信号。为提高霍尔元件的驱动功率和工作可靠性，通常将霍尔元件与其他集成电路相结合构成一个开关型霍尔集成电路，在不增加电路封装体积的情况下，其输出信号可直接驱动功率晶体管。目前还出现了利用电机定子绕组的反电动势作为转子磁钢的位置信号，经数字电路处理，并送给逻辑开关电路去控制电机的换向，由于它省去了位置传感器，使得电机的结构更加紧凑，近年来的应用日趋广泛。
2.2 驱动控制电路
如图3所示，驱动控制电路包括，位置信号处理电路，各相信号逻辑分配电路，功率放大电路，保护电路。
 图3 驱动电路示意图
位置信号处理电路即为位置传感器获得的转子磁极的位置电信号。信号逻辑分配电路，是由于位置传感器所产生的信号一般不能直接用于控制功率放大电路，需经过信号逻辑分配电路处理后才能去控制逻辑开关单元。功率放大电路是驱动控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。关于保护电路，通常有下列几种，绕组中电流过流保护，总线电流保护，过压保护，欠压保护，过热保护，过速保护等；在所有无刷直流电动机驱动控制电路中，保护电路基本相同。目前，无刷直流电动机专用集成电路，已将各相信号逻辑分配电路，控制电路，以及保护电路集成在一起，使用起来更简便，体积小，可靠性更高。
3 应用特点及常见故障
3.1 应用特点
无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动自行车，是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。（1）寿命长、免维护、可靠性高。在有刷直流电动机中，由于电机转速较高，电刷和换向器磨损较快，一般工作1000小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷方案中比较大的难题。所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。因此无刷直流电动机的优势很明显。（2）效率高、节能。一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于85%，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为76%。而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在70%左右。
3.2 常见故障
无刷直流电动机的常见故障通常从其三个组成部分来检查。在不清楚故障部位时，首先应该检查电动机本体，其次是位置传感器，最后检查驱动控制电路。在电动机本体中，可能出现的问题是：A、电动机绕组接触不良，断线或短路。会造成电动机不转；电动机在某些位置能够起动，而在某些位置不能起动；电动机运行不平衡。B、电动机主磁极退磁，会使电动机转矩明显小，而空载转速高、电流大。在位置传感器上常见问题是霍尔元件损坏、接触不良、位置变化，都会使电动机输出转矩变小，严重时会使得电动机不动或在某一点来回振动。在驱动控制电路中最容易出现故障的是功率晶体管，即由于长期过载、过电压或短路使功率晶体管损坏。以上是对无刷电动机的常见故障进行的简单分析，在电动机实际运行时问题会是多种多样的，检查者应注意在没有确切把握情况时，不能随意通电，以免造成电动机的其他器件损坏。
4 结束语
我国有关政府部门为解决能源和环保问题，鼓励电动自行车项目的开发和研制，为使电动车的开发和生产纳入标准化、法制化管理，1997年6月中国轻工总会发布了《电动自行车安全通用技术条件》行业标准；1999年5月国家质量技术监督局发布了《电动自行车通用技术条件》国家标准，这将为电机技术的进步和规模化生产提供了条件。同时无刷直流电动机以其优越的性能在电动自行车设计中被广泛的应用，无刷直流电动机的发展也将成为一个不可逆转的趋势。
参考文献
［1］ 王季秩，等 电机实用技术［M］上海：上海科学技术出版社，1997
［2］ 张琛 直流无刷电动机原理及应用［M］北京：机械工业出版社，1996 | 
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