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在高温环境下甚至只有几分钟。
（2）不必经常进行维护和修理。
（3）无电气接触火花、无线电干扰少。 （4）可工作于高真空、不良介质环境。
（5）可在高速下工作。专门设计的高速无刷直流电动机的工作转速可达每分钟10万转以上。
（6）机械噪声低。
（7）发热的绕组安放在定子上，有利于散热，便于温度控制，易得到更高的功率密度。
（8）必须与一定的电子换相线路配套使用，从而使总体成本增加，从控制的角度看，有更大的使用灵活性。
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2 无刷直流电动机系统
2.1无刷直流电动机的组成
与交流电动机相比，直流电动具有运行效率高和调速性能好等优点。但传统的直流电动机采用电刷换相－换向器结构，以机械方式进行换相，不可避免的存在噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围，致使目前农业生产中大多采用三相感应电动机。
那么，能不能保持直流电动机的优良特性，有去掉机械换向装置呢？无刷直流电动机正是在直流电动机的基础上发展起来的一种新型电机。
无刷直流电动机（Brushless DC Motor，简称BLDCM）是一种典型的机电一体化产品，它是有电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的同步电动机系统或自控式变频同步电动机，如图2.1所示。位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。
直流电源逆变器电机本体位置检测器输出控制信号控制器
图2.1 无刷直流电动机系统的组成
1．电机本体
无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测所代替。所以无刷直流电动机的本体实际上是一种永磁同步机。由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。
定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。绕组可以接成星行或三角形，并分别与逆变器中的各开关相连。三相无刷直流电动机最为常见。
目前，无刷直流电动机中多采用钐钴（SmCo）和钕铁硼（NdFeB）等高娇顽力、高剩磁密度的稀土永磁，如图2.2所示。其中图（a）所示的结构是在铁心外表面粘贴径向充磁的瓦片形稀土永磁体，有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极，以
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降低电机的制造成本；图（b）所示结构是在铁心中嵌入矩形稀土用磁体，这种结构的优点是在一个极矩下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可以获得较大的磁通，但这种结构需要作隔磁处理或采用不绣钢轴。对于高速运行的电机图（a）和（b）所示的结构需在转子外表面套一个0.3－0.8 mm的非磁性紧圈，以防止离心力将永磁体甩出，同时在盐雾的恶劣环境中对永磁体起保护作用。紧圈材料通常采用不导磁的不锈钢，也可用环氧无纬玻璃丝带缚扎。图（c）所示的结构是在铁心外套上一个整体稀土永磁环，环形磁体径向充磁为多极，适用于体积和功率小的永磁无刷直流电动机，该种结构的转子制造工艺较好。
(a)表面式磁极(b)嵌入式磁极(c)环形磁极
图2.2 转子结构形式
除了普通的内转子无刷直流电动机之外，在电动车中还常常采用外转子结构将无刷直流电动机装在轮毂之内，直接驱动电动车辆。外转子无刷直流电动机的结构转子绕组出线和位置传感器引线都从电机的轴引出。 2．逆变器
逆变器将直流电转化成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。
逆变器主电路有桥式和非桥式两种，而电枢绕组既可以接成星型也可以接成角型（封闭型），因此电枢绕组与逆变器主电路的连接可以有多种不同的组合，图2.3给出了几种连接方式．其中图（a）是三相半桥主电路、图（b）是星型连接三相桥式主电路、图（c）是三角形连接三相桥式主电路，为桥式主电路，电枢绕组允许双相通电，属于全控型主电路。
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UsABC(a)三相半桥主电路VT1VD1VT3VD3VT5VD5UsVT4VD4VT6VD6VT2VD2(b)星型连接三相桥主电路VT1VD1VT3VD3VT5VD5UsVT4VD4VT6VD6VT2VD2(C)三角形连接三相桥主电路图2.3 无刷直流电动机电枢绕组与逆变器的连接
ACBACB目前，无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成功率模块（PIC）和智能功率模块 （IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。[2]
无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方式也有星形和角形之分，而逆变器又有半桥型和全桥型两种。不同的组合会使电动机产生的性能和成本，这是每一个应用系统设计都要考虑的问题。综合以下三个指标有助于我们做出正确的选择。
(1)绕组的利用率。
无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当的提高绕组通电利用率将可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好，四相比五相好，全桥比半桥好。
(2)转矩脉动。
无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电机大，因此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。
(3)电路成本。 相数越多，驱动电路所使用的开关越多，成本越高，全桥驱动比半桥驱动所使
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用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。 3．位置检测器
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位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。
转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。
在无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统可靠性，限制了无刷直流电动机的应用范围，对电机的制造工艺也带来了不利的影响。因此，国内外对无刷直流电动机的无转子位置传感器运行方式给予高度重视。
无机械式位置传感器转子位置检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息，主要有反电动势检测法、续流二级管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。 4．控制器
控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：
(1)对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合、为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。
(2)产生 PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。
(3)对电机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。
(4)实现短路、过流、过电压和欠压等故障保护功能。
控制器的主要形式有：分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统、基于专用集成电路的控制系统、数模混合控制系统和全数字控制系统。
2.2无刷直流电动机的基本工作原理
有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产主的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。无刷直流电机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。
无刷直流电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不