隨著永磁材料和功率電子元器件的不斷進(jìn)步，無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)得到了快速的發(fā)展，它們被廣泛地用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、航空航天、現(xiàn)代科技和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。
因此，在電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，合理正確地設(shè)計(jì)無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)就成為一個(gè)越來(lái)越重要的課題。
在有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，定子永磁體在氣隙內(nèi)形成激磁磁場(chǎng)。根據(jù)物理學(xué)定理，在此情況下，如果迫使電流在電樞繞組的某一根導(dǎo)體中流動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用于該導(dǎo)體的電磁力，其表達(dá)式為
式中，F(xiàn)為力(N)；k1為一個(gè)常數(shù)；B為氣隙磁通密度(T)；1為導(dǎo)體的長(zhǎng)度(m)；i為導(dǎo)體內(nèi)的電流(A)。
電樞繞組由多個(gè)線圈(或稱為元件)所組成，每個(gè)線圈又由若干線匝所組成。如果電樞繞組的總串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為Ⅳ，且N>I，并攜帶同樣的電流，則電磁力的量值為
式中，k2為一個(gè)常數(shù)。
在電動(dòng)機(jī)內(nèi)，作用在導(dǎo)體上的電動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)子中心軸線形成一個(gè)力矩，迫使轉(zhuǎn)子圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)電磁力矩的量值為
式中，M為電磁力矩(N．m)；k3為一個(gè)常數(shù)；R為導(dǎo)線所處位置相對(duì)轉(zhuǎn)子中心軸線的半徑(m)。
在有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，定子主要由永磁體磁極、導(dǎo)磁軛和電刷構(gòu)件所組成，轉(zhuǎn)子主要由電樞繞組和換向器所組成。電樞繞組按一定的規(guī)律與換向器相連接，兩個(gè)相鄰線圈之間存在一定的角位移。假說(shuō)，處在N極下的某一線圈從0°電角度位置開(kāi)始通電，轉(zhuǎn)子便開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，該線圈內(nèi)的電流在氣隙磁場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電磁力矩從0值開(kāi)始由小到大，再由大變小，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至180°電角度時(shí)，該線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電磁力矩又回到0值。
這時(shí)，該線圈離開(kāi)了N極，進(jìn)入S極下面，該線圈內(nèi)的電流方向被自動(dòng)地切換(開(kāi)關(guān))成相反的方向。開(kāi)關(guān)動(dòng)作是借助若干個(gè)電刷和一個(gè)換向器的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種電樞線圈內(nèi)電流方向的變換被稱之為機(jī)械換向。這樣，在有刷直流電動(dòng)機(jī)的某一磁極下，雖然線圈導(dǎo)體在不斷地更替，但只要外加電壓的極性不變，線圈導(dǎo)體中流過(guò)的電流方向始終不變，作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終不變，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向也將始終不變，這就是有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向過(guò)程的本質(zhì)。
在無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組被設(shè)置在定子上，永磁體磁極被設(shè)置在轉(zhuǎn)子上。
定子各相電樞繞組相對(duì)轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)的位置，由轉(zhuǎn)子位置傳感器通過(guò)電子方式或電磁方式所感知；并利用其輸出信號(hào)，通過(guò)電子換向電路，按照一定的邏輯程序去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組相連接的相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)晶體管，把電流開(kāi)關(guān)或換向到相應(yīng)的電樞繞組。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置傳感器不斷地發(fā)送出信號(hào)，致使電樞繞組不斷地依次通電，不斷地改變通電狀態(tài)，從而使得在某一磁極下的線圈導(dǎo)體中流過(guò)的電流方向始終不變，這就是無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的無(wú)接觸式電子換向過(guò)程的實(shí)質(zhì)。
我們可以設(shè)想：在有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，如果把原先處于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)電樞翻出來(lái)變成定子，把所有被連接在機(jī)械換向器_卜面的電樞繞組的引線頭抽出來(lái)，并且給每一個(gè)引線頭提供一個(gè)功率晶體管開(kāi)關(guān)；而把原先處于外部的靜止永磁體移入電動(dòng)機(jī)的內(nèi)腔變成轉(zhuǎn)子，就可以把一臺(tái)有刷型直流永磁電動(dòng)機(jī)變換成一臺(tái)無(wú)刷型直流永磁電動(dòng)機(jī)。但是，這種實(shí)施方法必須包含大量的功率晶體管開(kāi)關(guān)元件和與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，就目前科技水平而論，這種方法很難實(shí)施，或者說(shuō)還沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。因此，在當(dāng)前的無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，定子電樞采用類似于一般交流電動(dòng)機(jī)中的三相繞組，借助轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)與定子電樞繞組三相軸線之間的相對(duì)空間位置，通過(guò)邏輯信號(hào)處理和控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)定子電樞三相繞組的電子換向。
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