無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC：Brushless Direct Current Motor），也被稱(chēng)為電子換向電機(jī)（ECM或EC電機(jī)）或同步直流電機(jī)，是一種使用直流電（DC）電源的同步電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC：Brushless Direct Current Motor）實(shí)質(zhì)上為采用直流電源輸入，并用逆變器變?yōu)槿嘟涣麟娫矗瑤恢梅答伒挠来磐诫姍C(jī)。

無(wú)刷電機(jī)（BLDC：Brushless Direct Current Motor）屬于自換流型（自我方向轉(zhuǎn)換），因此控制起來(lái)更加復(fù)雜。

BLDC電機(jī)（Brushless Direct Current Motor）控制要求了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。對(duì)于閉環(huán)速度控制，有兩個(gè)附加要求，即對(duì)于轉(zhuǎn)子速度/或電機(jī)電流以及PWM信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以控制電機(jī)速度功率。

BLDC電機(jī)（Brushless Direct Current Motor）可以根據(jù)應(yīng)用要求采用邊排列或中心排列PWM信號(hào)。大多數(shù)應(yīng)用僅要求速度變化操作，將采用6個(gè)獨(dú)立的邊排列PWM信號(hào)。這就提供了最高的分辨率。如果應(yīng)用要求服務(wù)器定位、能耗制動(dòng)或動(dòng)力倒轉(zhuǎn)，推薦使用補(bǔ)充的中心排列PWM信號(hào)。

為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，BLDC電機(jī)（Brushless Direct Current Motor）采用霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)提供絕對(duì)定位感應(yīng)。這就導(dǎo)致了更多線的使用和更高的成本。無(wú)傳感器BLDC控制省去了對(duì)于霍爾傳感器的需要，而是采用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)(電動(dòng)勢(shì))來(lái)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置。無(wú)傳感器控制對(duì)于像風(fēng)扇和泵這樣的低成本變速應(yīng)用至關(guān)重要。在采有BLDC電機(jī)（Brushless Direct Current Motor）時(shí)，冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)也需要無(wú)傳感器控制。

電機(jī)有各式各樣的種類(lèi)，而無(wú)刷直流電機(jī)是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。它集直流電機(jī)與交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，既有直流電機(jī)良好的調(diào)整性能，又有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因而備受市場(chǎng)歡迎，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、家電、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域中。

無(wú)刷直流電機(jī)克服了有刷直流電機(jī)的先天性缺陷，以電子換向器取代了機(jī)械換向器，所以無(wú)刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點(diǎn)，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

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無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor）是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。它集直流電機(jī)與交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，既有直流電機(jī)良好的調(diào)整性能，又有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

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無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor）發(fā)展歷史

直流無(wú)刷電機(jī)是在有刷電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其結(jié)構(gòu)上要比有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。直流無(wú)刷電機(jī)由電機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，區(qū)別于有刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor）不使用機(jī)械的電刷裝置，而是采用方波的自控式永磁同步電機(jī)，并以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料。（需要指出的是，在上世紀(jì)誕生電機(jī)的時(shí)候，產(chǎn)生的實(shí)用性電機(jī)卻是無(wú)刷形式的。）

1740年代：電機(jī)發(fā)明開(kāi)始

通過(guò)蘇格蘭科學(xué)家安德魯·戈登（Andrew Gordon）的研究工作，電機(jī)的早期模型首次出現(xiàn)于1740年代。其他科學(xué)家，例如邁克爾·法拉第（Michael Faraday）和約瑟夫·亨利（Joseph Henry）繼續(xù)開(kāi)發(fā)早期的電機(jī)，嘗試電磁場(chǎng)并發(fā)現(xiàn)如何將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

1832年：首款換向器直流電機(jī)的發(fā)明

1832年，英國(guó)物理學(xué)家威廉·斯特金（William Sturgeon）就發(fā)明了第一臺(tái)可以提供足夠動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械的直流電機(jī)，但是由于其低功率輸出，仍有技術(shù)缺陷，應(yīng)用上受到嚴(yán)重限制。

1834年：制造了第一臺(tái)真正的電機(jī)

跟隨Sturgeon的腳步，美國(guó)佛蒙特州的托馬斯·達(dá)文波特（Thomas Davenport）于1834年發(fā)明了第一臺(tái)正式的電池供電的電機(jī)，從而創(chuàng)造了歷史。這是第一臺(tái)具有足夠功率執(zhí)行任務(wù)的電動(dòng)馬達(dá)，他的發(fā)明被用于為小型印刷機(jī)提供動(dòng)力。1837年，托馬斯·達(dá)文波特和他的妻子艾米莉·達(dá)文波特（Emily Davenport）獲得了第一項(xiàng)直流電機(jī)專(zhuān)利。

1886年：實(shí)用性直流電機(jī)的發(fā)明

1886年，第一臺(tái)可以在可變重量下恒速運(yùn)行的實(shí)用直流電機(jī)面世。弗蘭克·朱利安·斯普拉格（Frank Julian Sprague）是其發(fā)明者。

值得一提的是，該實(shí)用性電機(jī)采用無(wú)刷形式，即交流式鼠籠式異步電機(jī)，它不僅消除了火花、繞組兩端的電壓損失，可以以恒定速度輸送功率。但是，異步電機(jī)有許多無(wú)法克服的缺陷，以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。

1887年：交流感應(yīng)電機(jī)獲得專(zhuān)利

1887年，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發(fā)明了交流感應(yīng)電機(jī)（AC?induction?motor?），并在一年后成功申請(qǐng)了專(zhuān)利。它不適用于公路車(chē)輛，但后來(lái)由西屋公司的工程師進(jìn)行了改裝。1892年，設(shè)計(jì)了第一臺(tái)實(shí)用的感應(yīng)電機(jī)，接著是旋轉(zhuǎn)的條形繞組轉(zhuǎn)子，使該電機(jī)適用于汽車(chē)應(yīng)用。

1891年：三相電機(jī)的開(kāi)發(fā)

1891年，通用電氣開(kāi)始開(kāi)發(fā)三相感應(yīng)電機(jī)（Three phase motor?）。為了利用繞線轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，GE和西屋公司于1896年簽署了交叉許可協(xié)議。

1955年：直流無(wú)刷電機(jī)時(shí)代開(kāi)始

1955年，美國(guó)d．harrison等人首次申請(qǐng)了用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專(zhuān)利，正式標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless Direct?Current Motor）的誕生。但當(dāng)時(shí)沒(méi)有電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器件，該電機(jī)沒(méi)有起動(dòng)能力。

1962年：第一臺(tái)無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)的發(fā)明

得益于1960年代初期固態(tài)技術(shù)的進(jìn)步，1962年，TG Wilson和PH Trickey發(fā)明了第一臺(tái)無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)，他們稱(chēng)之為“帶固態(tài)換向的直流電機(jī)”。無(wú)刷電機(jī)的關(guān)鍵要素是它不需要物理?yè)Q向器，因此成為計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，機(jī)器人和飛機(jī)的最流行選擇。

他們利用了霍爾元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并控制繞組電流換相，使無(wú)刷直流電機(jī)達(dá)到實(shí)用化，但受到晶體管容量的限制，電機(jī)功率相對(duì)較小。

1970年代至今：無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用快速發(fā)展

70年代以來(lái)，隨著新型功率半導(dǎo)體器件（如GTR、MOSFET、IGBT、IPM）相繼出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（單片機(jī)、DSP、新的控制理論）的快速發(fā)展，以及高性能稀土永磁材料（如釤鈷、釹鐵硼）的問(wèn)世，無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless Direct?Current Motor）得到快速發(fā)展，容量不斷增大。

技術(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，隨著1978年mac經(jīng)典無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的推出，以及80年代方波無(wú)刷電機(jī)和正弦波無(wú)刷直流電機(jī)的研發(fā)，無(wú)刷電機(jī)真正開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段，并且得到快速發(fā)展。

無(wú)刷直流電機(jī)總體結(jié)構(gòu)及原理

無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor）由同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱(chēng)星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。

BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括電機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)電路與控制電路三個(gè)主要部分。在工作過(guò)程中，電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)子位置信息由控制電路收集、處理并生成相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路在接收到控制信號(hào)后驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體工作。

無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless Direct?Current Motor）主要由帶有線圈繞組的定子、用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子和位置傳感器組成。位置傳感器，根據(jù)需要，也可以不配置。

定子

BLDC電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)相似。它由堆疊的鋼疊片組成，并帶有軸向切槽以用于纏繞。BLDC中的繞組與傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的繞組略有不同。

通常，大多數(shù)BLDC電機(jī)由三個(gè)定子繞組組成，這三個(gè)定子繞組以星形或“Y”形連接（無(wú)中性點(diǎn)）。另外，基于線圈互連，定子繞組進(jìn)一步分為梯形和正弦電動(dòng)機(jī)。

BLDC電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)

在梯形電動(dòng)機(jī)中，驅(qū)動(dòng)電流和反電動(dòng)勢(shì)均呈梯形形狀（在正弦電動(dòng)機(jī)的情況下為正弦形）。通常，在汽車(chē)和機(jī)器人技術(shù)（混合動(dòng)力汽車(chē)和機(jī)器人手臂）中使用額定48 V（或以下）的電動(dòng)機(jī)。

轉(zhuǎn)子

BLDC電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部分由永磁體（通常是稀土合金磁體，例如釹（Nd），釤鈷（SmCo）和釹鐵硼（NdFeB）組成。

根據(jù)應(yīng)用，極數(shù)可以在2到8個(gè)之間變化，北極（N）和南極（S）交替放置。下圖顯示了磁極的三種不同布置。

（a）磁體放置在轉(zhuǎn)子的外周上。

（b）稱(chēng)為電磁嵌入式轉(zhuǎn)子，其中矩形永磁體嵌入轉(zhuǎn)子的鐵心中。

（c）將磁體插入轉(zhuǎn)子的鐵芯中。

BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)子

位置傳感器（霍爾傳感器）

由于BLDC電機(jī)中沒(méi)有電刷，因此換向是電子控制的。為了使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，必須順序地給定子繞組通電，并且必須知道轉(zhuǎn)子的位置（即轉(zhuǎn)子的北極和南極）才能精確地給一組特定的定子繞組通電。

通常使用霍爾傳感器（根據(jù)霍爾效應(yīng)原理工作）的位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。大多數(shù)BLDC電機(jī)使用三個(gè)霍爾傳感器，這些傳感器嵌入到定子中以檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但是由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制作霍爾元件，由于霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅魇且环N當(dāng)交變磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生輸出電壓脈沖的傳感器。脈沖的幅度是由激勵(lì)磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)決定的。因此，霍爾傳感器不需要外界電源供電。

霍爾傳感器的輸出將是高電平還是低電平，這取決于轉(zhuǎn)子的北極是南極還是北極附近。通過(guò)組合三個(gè)傳感器的結(jié)果，可以確定通電的確切順序。

有別于有刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)將定子和轉(zhuǎn)子完全顛倒，電樞繞組被設(shè)置在定子側(cè)，而把高質(zhì)量永磁材料鑲嵌于轉(zhuǎn)子側(cè)。BLDCM的電機(jī)本體結(jié)構(gòu)主要包括定子電樞繞組、永磁轉(zhuǎn)子和位置傳感器，三相繞組在電機(jī)定子空間上均勻布置，在相位之間分別相差120°電角度。該結(jié)構(gòu)不同于純粹的有刷直流電動(dòng)機(jī)，與交流電動(dòng)機(jī)的定子繞組結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但在電機(jī)工作時(shí)會(huì)由驅(qū)動(dòng)電路向其提供方波交流電。

BLDCM選擇全橋三相星形接線六狀態(tài)二-二導(dǎo)通方式，在同一時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)電路中導(dǎo)通兩只MOSFET，相應(yīng)地，電機(jī)本體中兩相定子繞組串聯(lián)通電。每電子換相一次，定子磁動(dòng)勢(shì)Fa轉(zhuǎn)過(guò)60°空間電角度，是一個(gè)步進(jìn)式磁動(dòng)勢(shì)，間隔60°時(shí)間電角度，F(xiàn)a作一次跳躍。雖然轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)連續(xù)不斷，但是定子磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)動(dòng)方式為步進(jìn)式，這與真正的交流同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)相異。BLDCM的Fa與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)Ff的空間夾角總是在60°～120°范圍內(nèi)周期性變化，平均值為90°，這樣保證了定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)Fa、Ff相互作用得到的是平均最大電磁轉(zhuǎn)矩T，強(qiáng)力拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理與有刷直流電機(jī)相似。洛倫茲力定律指出，只要載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，它就會(huì)受到作用力。由于反作用力，磁體將承受相等且相反的力。當(dāng)線圈中通過(guò)電流后，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)被定子的磁極所驅(qū)動(dòng)，同極性相互排斥，異極性相互吸引，如果持續(xù)改變線圈中電流的方向的話，那么轉(zhuǎn)子所感應(yīng)出磁場(chǎng)的磁極也會(huì)持續(xù)發(fā)生變化，那么轉(zhuǎn)子就會(huì)在磁場(chǎng)的作用下一直轉(zhuǎn)動(dòng)。

在BLDC電機(jī)中，永磁體（轉(zhuǎn)子）是運(yùn)動(dòng)的，而載流導(dǎo)體（定子）是固定的。

BLDC電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

當(dāng)定子線圈從電源獲得電源時(shí)，它就變成電磁體并開(kāi)始在氣隙中產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。盡管電源是直流電，但開(kāi)關(guān)仍會(huì)產(chǎn)生具有梯形形狀的交流電壓波形。由于電磁定子和永磁轉(zhuǎn)子之間的相互作用力，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

通過(guò)將繞組切換為高和低信號(hào)，相應(yīng)的繞組被激勵(lì)為北極和南極。帶有南極和北極的永磁轉(zhuǎn)子與定子極對(duì)齊，從而導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

一對(duì)極和兩對(duì)極的 BLDC 電機(jī)運(yùn)行動(dòng)圖

無(wú)刷直流電機(jī)有三種配置：?jiǎn)蜗啵瑑上嗪腿?。其中，三相BLDC是最常見(jiàn)的一種。

（3）無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法

無(wú)刷直機(jī)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式按不同類(lèi)別可分多種驅(qū)動(dòng)方式：

按驅(qū)動(dòng)波形：方波驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)方便，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)位置傳感器控制;

正弦驅(qū)動(dòng)：這種驅(qū)動(dòng)方式可以改善電機(jī)運(yùn)行效果，使輸出力矩均勻，但實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)，這種方法又有SPWM和SVPWM(空間矢量PWM)兩種方式，SVPWM的效果好于SPWM。

（4）無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)與不足：

優(yōu)點(diǎn)：

?高輸出功率

?小尺寸和重量

?散熱性好、效率高

?運(yùn)行速度范圍寬

?低電噪聲

?高可靠性和低維護(hù)要求

?高動(dòng)態(tài)響應(yīng)

?電磁干擾少

不足：

控制該電機(jī)所需的電子控制器很昂貴

需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路

需要額外的位置傳感器（FOC不用）

（5）無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用

無(wú)刷直流電機(jī)廣泛用于各種應(yīng)用需求，例如工業(yè)控制（在紡織、冶金、印刷、自動(dòng)化生產(chǎn)流水線、數(shù)控機(jī)床等工業(yè)生產(chǎn)方面，無(wú)刷直流電機(jī)都發(fā)揮重要的作用。），汽車(chē)（雨刷器、電動(dòng)車(chē)門(mén)、汽車(chē)空調(diào)、電動(dòng)車(chē)窗等部位都有電機(jī)的身影。），航空，自動(dòng)化系統(tǒng)（在生活中常見(jiàn)的打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、電影攝影機(jī)等，在它們的主軸和附屬運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)控制中，都有無(wú)刷直流電機(jī)的身影。），醫(yī)療保健設(shè)備（對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的使用已經(jīng)較為普遍，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)人工心臟中的小型血泵;在國(guó)內(nèi)，手術(shù)用高速器具的高速離心機(jī)、熱像儀和測(cè)溫儀的紅外激光調(diào)制器都使用了無(wú)刷直流電機(jī)。）等領(lǐng)域中的各種負(fù)載，恒定負(fù)載和定位應(yīng)用。

無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)的區(qū)別:

無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)的對(duì)比

全球BLDC電機(jī)主流制造商（Top 10）

目前BLDC產(chǎn)業(yè)內(nèi)，排名比較靠前的企業(yè)有ABB、阿美特克（AMTEK）、日本電產(chǎn)、美蓓亞集團(tuán)、德昌電機(jī)、聯(lián)合運(yùn)動(dòng)技術(shù)公司、保德電子公司、北美電氣公司、施耐德電氣、及雷勃電氣（Regal Beloit Corporation）等。

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審核編輯：劉清