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1 技術方案背景

這個方案的設想來源于我司產品開發工作中遇到的實際問題。

本人是一名產品經理兼研發工程師，在公司的一個項目開發過程中，負責開發了一款小家電產品，在該產品的早期規劃階段，為了節省成本，計劃使用有刷電機作為動力源。隨著項目的推進，在和電機廠家的不斷接觸中了解到，有刷電機最大的短板是壽命問題，尤其在頻繁啟停，正反轉，大功率運行的條件下，壽命更是會出現斷崖式下跌，一個500小時壽命的有刷電機，在這樣的極端條件下壽命可能只有幾十個小時，完全滿足不了我們的需求。于是，我們只好選用無刷電機，但無刷電機成本實在太高，電機和驅動器兩者的成本費用，大大超出了預算，我們再三向電機廠家確認，有沒有不需要驅動器的無刷電機（只是電機的話成本還可以接受）？答案是沒有！有沒有更便宜的驅動方案？答案是可以再降低一些，但仍然很貴。

2 有刷電機工作原理的啟示

于是我試著了解無刷電機的運行方式，看看能不能找到降低成本的突破口。由于之前對有刷電機比較了解，在了解了無刷電機運行原理之后，有一天突然產生一個想法：能不能讓無刷電機也像有刷電機一樣自我驅動呢？我認為有刷電機是自驅動電機，因為電機旋轉時轉子位置狀態改變，從而自動切換不同繞組通電實現自我驅動。而無刷電機是外部驅動電機，必須先通過霍爾元件感知電機轉子狀態，然后再處理位置信息，最后才控制相關繞組通斷電。所以我想，能不能讓無刷電機也做出類似有刷電機的自驅動的形式，讓轉子本身的位置狀態作為觸發條件來驅動自身運轉。從這個角度出發，我想到了光電編碼器原理，在電機轉子上增加遮光盤，通過遮光盤來實時體現轉子位置狀態，將光電開關產生的電壓的信號直接輸入的三相逆變器的控制端，以實現不同繞組的通斷電，從而就可能可以實現無刷電機的自我驅動了。

認準這個方向，我們先后做了多次嘗試，從定子繞組并聯連接到星型連接，光電開關從3個感應點到6個感應點，從單相繞組通電到多相繞組同時通電，終于在第六次，實現了和現有無刷電機相同的驅動流程和驅動時序，理論上可以和現有無刷電機驅動器達到相同的驅動效果。

3 技術方案具體內容

接下來，我把最終技術方案具體介紹一下，以最常見的三相二對極內轉子電機為例，電機的組成部分和結構如下圖所示：

● 遮光盤和永磁體轉子固定連接，可隨轉子一起旋轉

● 遮光盤上開有內外兩組通關槽，通光槽中心線與轉子磁極分界線偏離15度；

● 通關槽寬度30-60度之間，小于30度可能存在啟動死區，大于60度會產生反向推力阻礙電機旋轉；

● 光電開關固定在定子上，其中心線與對應繞組中心線重合；

● 每個光電開關設有內外兩個感應點。每個感應點經過通光槽時導通；

●導通的光電開關產生電壓信號，用以驅動mos管。

光電開關和逆變器原理電路如下圖所示：

光電開關和三相逆變橋

● 光電開關中間為遮光盤，遮光盤旋轉到通光槽位置時，光敏三極管導通，從而輸出電壓信號a1；

● 每個光電開關有兩個感應點，三個光電開關共產生6個感應信號（a1，a2，b1，b2，c1，c2，）；

● 光電開關與三相逆變橋共地連接。

電機的自驅動時序分析如下：

圖1                                           圖2                                             圖3

以通光槽寬度30度為例：（光電開關外感應點為a1，b1，c1，內感應點為a2，b2，c2）

● 假設初始狀態時，轉子處于圖1位置。此時光電開關a1導通；

● 將a1的信號線連接到sw1，sw6，使AB繞組通電，產生磁場如圖2所示；

● AB繞組推動轉子順時針轉動一定角度，到光電開關c2導通，同時光電開關a1斷開，如圖3；

● 將c2的信號線連接到sw1，sw2，使AC繞組通電，產生磁場如圖4所示；

● AC繞組推動轉子順時針轉動30度角，到光電開關b1導通，同時光電開關c2斷開，如圖5；

● 將b1的信號線連接到sw3，sw2，使BC繞組通電，產生磁場如圖6所示；

圖4                                               圖5                                            圖6

● BC繞組推動轉子順時針轉動30度角，到光電開關a2導通，同時光電b1斷開，如圖7；

● 將a2的信號線連接到sw3，sw4，使BA繞組通電，產生磁場如圖8所示；

● BA繞組推動轉子順時針轉動30度角，到光電開關c1導通，同時光電開關a2斷開，如圖9；

圖7                                                 圖8                                              圖9

● 將c1的信號線連接到sw4，sw5，使CA繞組通電，產生磁場如圖10所示；

● CA繞組推動轉子順時針轉動30度角，到光電開關b2導通，同時光電開關c1斷開，如圖11；

● 將b2的信號線連接到sw5，sw6，使CB繞組通電，產生磁場如圖12所示；

圖10                                             圖11                                           圖12

● CB繞組推動轉子順時針轉動30度角，到光電開關a1導通，同時光電開關b2斷開，如圖13；

● 導通的a1使AB繞組通電，繼續推動轉子順時針旋轉30度，如圖14；

圖13                                           圖14

● 到此為止，定子回到圖2狀態，完成了一個循環，推動轉子旋轉180度，并會持續運行下去；

● 如此即可完成無刷電機自驅動運轉。

轉子整體運行時序如下所示：

4 自驅無刷電機優勢

該驅動方案通過簡單的遮光盤和光電開關組件，在一定的角度設置條件下，巧妙地實現了無刷電機的自驅動，且其驅動流程和驅動時序與現有無刷電機的驅動流程和驅動時序相同，因此理論上該方案可以實現和現有無刷電機相同的啟動特性，力矩特性和效率特性，達到和現有無刷電機相同的性能，相比于現有外部驅動器的實現方式，自驅驅動方式更簡單，更可靠，成本更低。

我們依照該方案做出了樣機，并實際運行驗證了該方案的可行性。成品狀態的電機其構造分為電機本體和感應開關組件兩個部分，電機本體使用現有的三相無感電機，感應組件位于電機尾部，相比于霍爾內置的無刷電機，感應控制組件遠離電機內部高溫嚴苛的工作環境，可靠性更高。另外從電機生產工藝角度出發，由于電機結構完全沒有改變，只需在現有電機尾部直接加裝感應驅動組件即可，無需改造原有電機生產工藝及生產線，因此該類電機的生產制造更加方便。

5 技術主要應用領域

整體來看，自驅無刷電機更像是介于有刷電機和無刷電機中間的一個新品類，兼具有刷電機功能簡單，成本低和無刷電機長壽命，低噪聲的優點，個人認為該項技術的應用主要有兩個方面：

一方面是降低成本，替代部分簡單功能的無刷電機，因為現有無刷電機控制較為復雜，功能也齊全，但很多產品用不到那么復雜的功能，就像一個人只需要一匹馬，但不得不把整個馬車也買下來一樣，因此可以應用于這類簡單功能產品之中，替換原有無刷電機，降低成本；另一方面是提升性能，主要應用對象是那些原本就使用有刷電機的產品，使這些產品可以用較低成本將有刷電機替換為無刷電機，從而可以大幅提升產品性能，擴大產品應用范圍，如增加產品壽命，降低噪聲和干擾等等。

此外，用戶還可以根據不同產品的應用需要，在電機基礎功能上再增加正反轉，調速，反饋，剎車或制動等其他功能，應用更靈活。

6 結束語

直流電機憑借其良好的功率因素，啟動特性和調速性能等方面的優勢，廣泛應用于工業，農業，交通，能源，家電，玩具以及電動工具等領域，而隨著社會的不斷發展，人們對產品的各項性能指標的要求也越來越高。面對市場日益激烈的競爭，在各行各業都極力追求成本控制，追求更高產品性能的趨勢背景之下，兼具有刷電機和無刷電機優點的自驅無刷電機，將有著較大的市場應用前景。