一、三個基本定則

1．左手定則

位于磁場中的載流導體，會受到力的作用，力的方向可按左手定則確定，如4-19圖所示：伸開左手，使大拇指和其余四指垂直，把手心面向N極，四指順著電流的方向，那么大拇指所指方向就是載流導體在磁場中的受力方向。

力的大小為： F =BIL

其中：B為磁感應強度（單位：T），I為電流大?。▎挝唬篈）， L為導體有效長度（單位：m），F為力的大?。▎挝?N）。

如果磁感應強度B的方向和電流I的方向不互相垂直，而是成一定夾角q，則力的大小為：F =BILsinq。

圖1 左手定則

考慮到一個線圈往往有兩個有效邊AD和CD，如圖2(a)所示。在磁場中它們的受力方向正好相反，如圖2(b)所示。它們所產生的轉矩TD是以旋轉軸O為中心，方向為順時針，其大小可由下式決定：

TD=2rF=2rBIL

式中，TD是轉矩(單位: N×m); r是從中心到各導體的距離(單位: m)。

(a) 線圈 (b) 線圈受力

圖2 處于磁場中線圈的受力情況

同樣，如果磁感應強度B和電流方向不互相垂直，而是成一定夾角q，則有

TD=2rBILsinq

如圖3示出了某兩極直流電動機的橫斷面，并假設在對稱軸O-O￠的右側導體中，電流是以同一方向流動（如流入紙面），均在N極下；左側導體中電流均為流出紙面，且均在S極下。若此時電動機氣隙中的磁感應強度保持均勻分布，其大小為B值，方向與導體相垂直，則導體上所受到的總轉矩為:

TD=rBILZD

式中，ZD是導體總數；I是流過每個導體的電流(A)，如果所有導體串聯，即為電動機輸入端電流；r是電動機氣隙半徑(m)；L是導體的有效長度(m)。

圖3 磁力線和轉子內的電流分布

對于某一特定的電動機而言，其導體總數、每根導體的有效長度以及電動機的半徑均已確定，且磁感應強度B取決于永久磁鐵的磁性材料及磁路結構，對某一臺具體的電動機而言，也是一個常數，即乘積(rBLZD)為一常數，現將其定義為該電動機的轉矩常數KT(N×m/A)，即：

KT=rBLZD

因此，TD=KTI。

2．右手定則

有刷與無刷直流電動機中的導體因做切割磁力線運動會在其中感應出電動勢E，其大小為：E=vBL。

其中：v為導體的運動速度（單位：m/s），B為磁感應強度（單位：T），L為導體的有效長度（單位：m）。

同樣，如果磁感應強度B和L不互相垂直，而是成一定夾角q，則有E=vBL sinq。

電動勢E的方向按右手定則判斷，如圖4所示。即伸開右手，使大拇指和其余四指垂直放在一個平面上，把手心面向N極，大拇指對著導體運動方向，那么四指所指的方向就是該導體在磁場中所產生的電動勢方向。若電動機以角速度w (rad/s)旋轉，則速度v為:v=wr。其中r是導體所在位置至旋轉中心的距離(m)。

圖4 右手定則

在作為電動機運行時，端電壓必定大于電樞繞組的感應電動勢。若按電動機慣例，以輸入電流作為電樞電流正方向，則感應電動勢與電流正方向相反，故稱E為反電動勢。于是有E=wrBL。

若導體總數為ZD，而它們互相串聯，則總反電動勢為E=wrBLZD。

同樣，對某一臺具體的電動機而言，乘積(rBLZD)為一常數，令反電動勢常數KE= rBLZD，則有E=KEw。

由此可見，如果采用統(tǒng)一的單位制，則在數值上KT=KE，但它們代表了不同的物理概念，其量綱也不同。它們分別反映了電動機內部機電能量相互轉化過程中的數量關系。KT反映了電能轉換為機械能的能力強弱，而KE則反映機械能轉換為電能的能力強弱。在同一臺電動機里面，上述兩種過程都是蘊含在同一臺電動機中，在電動機處于電動狀態(tài)，表現為電能向機械能轉換起主導作用，電動機在制動時，處于發(fā)電狀態(tài)，表現為機械能向電能轉換起主導作用。

由上述分析可見，直流電動機在完成機電能量的相互轉換過程中，都是基于電磁相互作用原理，這一點對所有類型電動機而言都是相同的。

3．右手螺旋定則

用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。如圖5 所示。

線圈的纏繞方向一致時，通電螺線管的磁場方向與電流方向有關。如圖6所示。

圖5 右手螺旋定則

圖6 通電螺旋管的磁場方向

二、 換相原理

無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器（可有可無）組成。

在圖7 中，當兩頭的線圈通上電流時，根據右手螺旋定則，會產生方向指向右的外加磁感應強度B（如粗箭頭方向所示），而中間的轉子會盡量使自己內部的磁力線方向與外磁力線方向保持一致，以形成一個最短閉合磁力線回路，這樣內轉子就會按順時針方向旋轉了。

圖7 換向原理圖示1

磁場與外部磁場方向一致時，轉子所受磁力最大，但此時轉子呈水平狀態(tài)，轉子力臂為0。雖然不再受到轉動力矩的作用，但由于慣性原因，還會繼續(xù)順時針轉動，這時若改變兩頭螺線管的電流方向，轉子就會繼續(xù)順時針向前轉動，見圖8所示。

圖8 換向原理圖示2

如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內轉子就會不停轉起來了。改變電流方向的這一動作，就叫做換相(commutation)。換相時刻只與轉子的位置有關，與轉速無關。

三、工作原理

無刷直流電機要轉動，需先要根據轉子位置傳感器的輸出信號確定轉子位置，然后通過電子換相線路去驅動電機本體使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產生旋轉的磁場，驅動永磁轉子轉動。無刷直流電機（BLDCM）工作原理框圖如圖9所示。

圖9 BLDCM工作原理框圖

一般BLDCM的具體控制框圖如圖10所示，定子三相繞組是相差120°對稱分布的，圖10中三相繞組是星型連接的；其中六個功率管的開關由控制電路根據轉子位置來決定。

圖10 BLDCM控制框圖

因此，通過控制電路控制VT1~VT6六個開關管的開關順序，來完成對電機線圈的通電順序，以實現電機的換相操作，從而實現電機的運轉。

如圖11顯示繞組星型連接的具體接線圖，整個電機就引出三根線A, B, C。當它們之間兩通電時，有6種情況，分別是AB, AC, BC, BA, CA, CB，圖12 (a)~(f)分別描述了這6種情況下每個通電線圈產生的磁感應強度的方向（短箭頭表示）和兩個線圈的合成磁感應強度方向（長箭頭表示）。

圖11 繞組星型連接

在圖12 (a)中，AB相通電，中間的轉子（圖中未畫出）會盡量往長箭頭方向對齊，當轉子到達圖12 (a)中長箭頭位置時，外線圈換相，改成AC相通電，這時轉子會繼續(xù)運動，并盡量往圖12 (b)中的長箭頭處對齊，當轉子到達圖12(b)中箭頭位置時，外線圈再次換相，改成BC相通電，再往后以此類推。當外線圈完成6次換相后，內轉子正好旋轉一周（即360°）。

圖12講的只是原理，實際操作的時候不會讓轉子轉到與定子磁場方向對齊，而是定子主磁場方向一直超前轉子磁場一定的角度，這樣才會使轉矩較大，一般利用hall檢測位置的話是會60°換相（磁場跳躍60°）一次，換相后定子主磁場方向超前轉子磁場120°，由于轉子受到定子磁場的作用，轉子會向定子磁場對齊的方向旋轉，從與定子主磁場方向120°轉動60°到兩者夾角為60°，這樣可以使產生最大的轉矩的垂直位置正好處于本次通電的中間時刻，然后定子主磁場再次向前跳躍60°，這樣轉子又會慢慢跟上來，如此往復就可實現BLDCM的連續(xù)轉動。圖13 說明的是換相前和換相后的定子和轉子磁場位置。

圖12 星型連接兩兩通電的6種情況

圖13 換相前后的情況

注意：機械角度是指電機轉子的旋轉角度，可由Θm表示；電角度是指磁場的旋轉角度，可由Θe表示。當轉子為一對極時，機械角度Θm=Θe；當轉子為n對極時，Θe=nΘm。