【R课堂】Sugiken老师的电机驱动器课堂⑤什么是无刷电机？

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什么是无刷电机？
下面我们来了解一下无刷电机。
在上一篇“电机的旋转原理”中我们列举的结构示例中的电机，由于带有电刷而被称为“有刷电机（换向器电机、整流子电机）”。如果用下图中的术语再次介绍一下有刷电机的话，可以说，它是与转子一起旋转的换向器（导电滑环）作为机械开关与电刷反复接触和不接触，从而使转子的磁极自动变化而实现持续旋转的电机。

有刷电机

这种电机会自动持续旋转，但从其结构上看，存在电刷与换向器相互摩擦造成磨损而导致寿命短的问题（电刷材质也是开发时需要解决的主要课题之一）。因此，在研究如何提高这种机械开关部分的寿命过程中，无刷电机作为一种全新的开关结构应运而生。

无刷电机作为一种全新的开关结构应运而生

无刷电机的开关部分采用具有实用性的半导体器件——晶体管来执行开关功能。需要使用6个晶体管作为有刷电机的换向器和电刷部分的替代品（三相全波的情况。图中为使用了MOSFET的示例），组成如下电路使电机旋转。

电路使电机旋转

有了这种结构，就需要新的技术。首先，要想用好前面提到的晶体管，必须具备与“开关”相关的技术和晶体管使用相关的知识。另外，在机械开关过程中，是自动切换线路，而晶体管则需要通过信号来控制ON/OFF。随着开关技术的发展，这种开关发展为由被称为“控制器”的集成电路（IC）组成，因此“驱动控制”也逐渐成为一项技术。“电机驱动器”正是这些技术的具体体现。


前面我们已经从电子电路的角度介绍了有刷电机和无刷电机之间的差异，这两种电机在机械结构方面也存在差异。在有刷电机中，永磁体是固定的，电磁体是旋转的。之所以采用这种结构，是有其原因的。假设采用相反的结构，就需要让电刷旋转，那么与其相连的导线就会被扭曲，因此，通常采用让电磁体旋转的方式。


而无刷电机的结构则相反。由于绕组保持与电路相连的状态，无法让电磁体旋转，所以，电磁体成为定子，永磁体成为转子。


综上所述，可以说从结构方面看，无刷电机是用晶体管来切换电磁体的磁极，使由永磁体组成的转子转动的，由控制器根据转子的位置信息生成电磁体的切换信号。


对于这样的无刷电机，当您实际尝试控制或设计电机时，可能会被一些不熟悉的概念和零部件名称弄糊涂。
因此，我在这里简要介绍一下“极数和槽数”、“机械角度和电角度”、“霍尔器件（霍尔IC）”等设计时所需的基础知识。


什么是电机的极数和槽数？
下面为您介绍表示电机特点的术语——极数和槽数以及相关的机械角度和电角度。
电机可用诸如“极数”、“槽数”这类数值来表示电机的特点。极数是指转子的磁极数。严密地讲，槽数是指下图中“凹槽”的空间数量，但在集中绕组电机中，如图所示，是在每个齿上分别缠绕一组线圈，因此其槽数与线圈数相同。顺便提一下，虽然在下图中没有显示，不过还有一种被称为“分布绕组”的跨多个齿绕线的方式。

分布绕组

在介绍三相电机的概念等基础知识时，多使用2极3槽图来讲解一对N极和S极、以及被称为“U相”、“V相”和“W相”的三个绕组（绕组有时也被称为“A相”、“B相”和“C相”）。不过实际上很多电机是将这种2:3的结构加倍后变为4极6槽、6极9槽、8极……等结构使用。也有8极9槽、10极12槽等非2：3结构的电机。

有奖问答：由于需要通过_________来产生开关的控制信号，因此“磁体位置检测”技术也得以研究和发展。

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