直流無刷電機的電機本體在結(jié)構(gòu)上與看永磁同步電機類似，只是沒籠型繞組和它的啟動裝置。它的定子繞組可以是簡單的單相，也可以使三相以上的結(jié)構(gòu)，電樞繞組的連接方式主要有星形和三角形連接兩種，電子換相電路一般有橋式和非橋式兩種，它們可以組成很多變化形式。下面就是最常見的兩兩三相星形六狀態(tài)永磁直流無刷電機的工作原理簡單分析。
三相兩極直流無刷電機的結(jié)構(gòu)
A、B、C為三相定子繞組，分別與電子開關(guān)線路中的功率開關(guān)器件V1,V2,V3相連接，電動機的轉(zhuǎn)軸上安放著位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子。VP1、VP2和VP3在空間商相差120度均勻分布在無刷直流電機的一端，通過電機轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板的作用，根據(jù)某一光電器件是否被光線照射來 此時轉(zhuǎn)子磁極的位置。
假使某一時刻，定子繞組的A相通電，該電流與轉(zhuǎn)子上的永磁體所產(chǎn)生的主磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁鋼的位置同通過位置傳感器變成電信號，然后去控制電子開關(guān)線路，這樣定子的各相繞組會依次導通，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。這樣，電子開關(guān)線路的導通次序能夠和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，達到機械換相得效果。
無刷直流電機的數(shù)學模型
三相兩極無刷直流電機，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子繞組星形連接，同時3個霍爾元件在空間上相差120度均勻分布。同時，假設電機有如下特性：
（1） 電機的磁路沒有飽和，忽略渦流效應、磁滯損耗和電樞反應；
（2） 不及齒槽轉(zhuǎn)矩的影響；
（3） 控制電路中的功率器件均為理想開關(guān)器件。
電壓方程
在以上假設成立的前提下，電機定子每相繞組的相電壓和電阻上的壓降和繞組的感應電勢組成，定子電壓的平衡方程為
式中，ea 、eb、ec分別為定子各相得反電動勢；
ia、ib、ic分別為定子各相的電流;
Ua、Ub、Uc分別為定子各相的電壓
Ra、Rb、Rc 分別為定子各相的繞組電阻
La、Lb、Lc 分別為定子各相的繞組電感
Lab、 Lac、 Lba、 Lbc、 Lca 、Lcb 分別為定子各相繞組的互感。
由于無刷直流電機的轉(zhuǎn)子式永磁體，假設它的三相繞組相互對稱，同時忽略阻間的影響，即繞組間的互感為常數(shù)，則可以得到La=Lb=Lc, Ra=-Rb=Rc=R,
Lab= Lac= Lba= Lbc= Lca=Lcb=M。此時可以寫成
而ia、ib、ic=0，整理得
式中L=Ls-M
反電動勢方程
在物理學中，單根導體切割磁場中的磁力線所產(chǎn)生的電動勢e為
e=Blv
式中，B為磁場強度；
L為導體在磁場中的運動時的有效長度
V為導體中的垂直磁場方向上的線速度
在無刷直流電機中，轉(zhuǎn)速n與v如下的關(guān)系
V=2πR′n/60
式中, R′為繞組旋轉(zhuǎn)半徑。
假設繞組的每個相匝數(shù)為Wф，由于每組繞組有兩根導體，則每相繞組的感應電動勢為：
Eф=2eWф
綜合上述公司，則得到轉(zhuǎn)速n與感應電動勢Eф的關(guān)系式為：
Eф則=BlπR′Wф /15*n
轉(zhuǎn)矩方程
當直流電機處于正常工作狀態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩是指電樞繞組通電后，導體與永磁體相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。當電機正常工作時，繞組有兩相保持同時導通，所以電磁功率Pm為：
Pm=2EpIp
不計電流換相的影響，則電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te 為：
Te= Pm/Wi/Np =2npEpIp/W1=2npψp Ip
式中，Ep為無刷直流電機的電動勢峰值；
Ip為電機的電流峰值
Ψp為電機的電磁磁鏈的峰值
由公式可以看出，電機的電磁轉(zhuǎn)矩和峰值電流成正比
運動方程
一般情況下，系統(tǒng)的運動方程為
Te – TL –Zw=J*dw/dt
式中，Te、TL為電機的電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩
W為電機的角速度；
Z為粘滯摩擦系數(shù)
J為電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量
無刷直流電機的特性分析
起動特性
起動時，由于反電動勢為零，因此電樞電流為：
I=Ud -2△U/2R
式中，Ud為電機導通的兩相繞組的線電壓；
△ U為控制電路中的功率壓降；
R為電機定子繞組的內(nèi)阻
由于內(nèi)阻較小，起動時電樞電流迅速增加，所以起動電磁轉(zhuǎn)矩很大，可以迅速啟動，還可以在負載狀態(tài)下直接啟動。當轉(zhuǎn)速變大時，電樞反感使感應電動勢變大，電機的轉(zhuǎn)矩減小，加速轉(zhuǎn)速也隨之減小，最后進入正常的工作狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)速和電樞電流穩(wěn)定。
當電機空載啟動時，轉(zhuǎn)速和電樞電流隨時間的變化曲線如圖
無刷直流電機的啟動特性曲線
機械特性
機械特性是指在直流電壓Ud不變時，電機的轉(zhuǎn)速和電磁的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，則無刷直流電機的機械特性方程式為：
n=15/ BlπR′Wф方(U-RI-L dI/dt)
整理后可得：
n=30/π* Kt Ud – 2RTe/Ke Kt
式中，Kt為電機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)
Ke系為電機的感應電動勢系數(shù)
Ud為線電壓
可以看出，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間呈線性關(guān)系。但在實際運行過程中，當電磁轉(zhuǎn)矩變大時，電樞反應會產(chǎn)生一定的去磁作用，同時考慮到驅(qū)動控制電路的功率器件具有非線性，所以電機的機械特性曲線末端會向下彎曲。
無刷直流電機的機械特性曲線如圖所示
無刷直流電機的機械特性曲線
調(diào)節(jié)特性
調(diào)節(jié)特性是指在電機的電磁轉(zhuǎn)矩恒定時，電機的轉(zhuǎn)速和外加電壓之間的變化關(guān)系。當無刷直流電機處于穩(wěn)定狀態(tài)時，忽略驅(qū)動控制電路的功率器件的損耗，有如下的關(guān)系
Ud=raI +π/30*Ken
KTI-TL=π/30Zn
則轉(zhuǎn)速和電壓的關(guān)系為
N=30/30 KTKe+πraZ*(KT Ud –ra –TL)
由此，可以得到在不同的電磁轉(zhuǎn)矩Te下，無刷直流電機的轉(zhuǎn)速隨著Ud變化的曲線,Te1< Te21< Te3
無刷直流電機的調(diào)節(jié)特性曲線
無刷直流電機有著良好的控制性能，但是當Ud較小時，電磁轉(zhuǎn)矩也較小，電磁轉(zhuǎn)矩也較小，無法克制負載轉(zhuǎn)矩，電機不能啟動，所以電機的轉(zhuǎn)速為零，當Ud增加到超過門線電壓時，電機開始啟動并逐漸運行至穩(wěn)態(tài)，當Ud越大，轉(zhuǎn)速也越大。同時由于摩擦力的存在，所以調(diào)節(jié)特性不會經(jīng)過原點。
以三相兩級無刷直流電機為例，研究了它的工作原理，分析了它的具體換相過程。同時，通過分析無刷直流電機的數(shù)據(jù)模型和工作特性，加深了對無刷直流電機的理解