直流无刷电机工作原理

所谓直流无刷电机，是具备直流电机与交流电机之优点，对于以往直流电机之用途，连近年来交流电机之用途，均有直流无刷电机被加以利用，就构造而言，若将有电刷的永磁式直流伺服电机的定子与转子互换就成为永磁式直流无刷伺服电机，不过无刷式电机的定子线圈为三相绕组，故基本上其为交流电机，直流无刷是沿用产业惯用之名称。直流无刷电机是将传统的DC电机之整流部份（电刷及换向器）以电子方式代替且保留DC电机可急遽加速，转速和外加电压成正比，转矩和电枢电流成正比等优点，为一特性非常优良之电机。直流无刷电机最大的特征为无刷构造的关系，原理上不会产生噪声。无刷电机之激磁部份在转子上由永久磁铁构成，电枢位于定子上，因此可以不需要电刷传导电流。因此其驱动电路一般均使用PWM型变频器，再配合霍尔组件或分解器等磁极检测组件，可得圆滑且稳定之转矩，常用于需要高速及高精度控制之情况。
   
   常用的传统直流电机的缺点：
   电刷与换向片的高速滑动，造成电刷与换向片磨擦甚巨，如此一来引起不必要的种种电气障碍与故障。
   
   改进方式：

   
   无刷电机与有刷电机之差异与比较：
  
   ? 有刷电机
   以机械式整流子或电刷来控制换向动作
   
   ? 无刷电机
   以电子式的晶体管来控制换相动作。
   利用磁场力的吸引及磁场的变化(换向)来达成旋转输出的动作。
   电子式的换向器主要是利用Hall Sensor 感应电机位置的变化，以控制晶体管的开或关。
   
   无刷电机与有刷电机之差异
  
  无刷电机与有刷电机之比较
  
  (1)换向时不易产生高温之电弧及金属屑。
   (2)电气噪声少，可靠度高、寿命长且易高速化。

   (4)制造容易、体积小。
   (5)可适用于高温环境下且维修费低。
   (6)在电刷部分不产生碳粉、油雾等之污垢。
   (7)不产生电气之噪声(不产生电波干扰) 。
   (8)不产生火花。
   (9)不闪络（flash over) 。
   
   无刷电机与有刷电机之比较
  主要缺点
   (1)需驱动电路成本较高
   
   动作原理：
   
   直流无刷电机动作原理
   
   有刷DC电机 无刷DC电机
   
   霍耳组件是无刷电机换向的依据
   
   霍耳组件是直流无刷电机最重要的主动组件，它用来感应磁场的变化以送出电动机控制信号，使马达得以持续而稳定的运转。
   
   霍耳组件的原理
  
   霍耳组件是利用霍耳效应(Hall effect)
   原理制成的组件，检测转子的磁极，侦测转子位置，以其输出讯号来引导定子电流相互切换，共有四个端子，二个端子控制输入电流，若外界给予垂直磁场则另外二个端子输出霍耳电压VH。
   
   VH= K ×Ic ×B cosθ
   K：灵敏度或积感度，与材质有关。
   Ic：输入组件电流，大约mA到数十mA。
   B：外加的磁通密度，
   若组件感测面与外加磁场并非垂直，则乘上cosθ。
   
   霍耳组件应用示意图
   
   
   如图
   状态一：当转子S极与霍尔组件距离最短，此时磁通密度最高(方向向上)，造成霍耳组件A端子电压较大，使得晶体管Q1导通，则线圈L1内有i1电流流通，因此线圈L1呈激磁状态，依右手定则得知线圈 L1右侧为S极，故转子逆时针旋转。
   状态二：当转子S极远离霍耳组件时造成磁通密度下降，因此A、B端不再产生霍耳电压，晶体管Q1、Q2呈OFF状态。转子因受惯性作用继续旋转。

   
   依精度要求可以增加场绕组线圈数目与霍耳组件数目，例如四相、五相无刷电动机，即是指此类运用霍耳组件制成的无刷直流伺服电机。
   
   ? 4相90° ， L1﹑L2﹑L3﹑L4
   机械角位置是90°，而霍耳
   组件也成90°机械角。
   
   ? 4相180°，L1﹑L2﹑L3﹑L4
   机械角位置是180°，而霍
   耳组件也成90°机械角。
   
   ? 3相120°，L1﹑L2﹑L3﹑L4
   机械角位置是120°，而霍
   耳组件也成120°机械角。
   
   
   （a）较其它种类电机效率高。
   （b）具有高性能效果。
   （c）可以达到电机的正逆回转。
   （d）适用于轻薄短小化的设计。
   霍耳式电动机的特点
   无刷直流伺服电机由于利用霍耳组件感应激磁顺序与时间，因此又称作「电子换向电机」，利用霍耳组件感应激磁顺序与时间可以减少不必要的电能浪费，同时也可以适时的提供转子转动所需的电磁力，因此大幅提升电机输出扭矩与效率。