什么是無刷直流電機(jī)（BLDC）？無刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)有哪些？

無刷直流電機(jī) （BLDC）一直是眾多電機(jī)制造商關(guān)注的領(lǐng)域，因?yàn)檫@些電機(jī)越來越成為許多應(yīng)用的首選，尤其是在電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。BLDC 電機(jī)在許多方面都優(yōu)于有刷直流電機(jī)，例如高速運(yùn)行、高效率和更好的散熱能力。

它們是現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)不可或缺的一部分，最常用于驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、機(jī)床、電力推進(jìn)、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及發(fā)電。隨著除數(shù)字控制之外的無傳感器技術(shù)的發(fā)展，這些電機(jī)在總系統(tǒng)成本、尺寸和可靠性方面變得如此有效。

什么是無刷直流電機(jī)（BLDC）？

無刷直流電機(jī)（稱為 BLDC）是一種由直流（DC）電力驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，它完成電子控制換向系統(tǒng)（換向是通過在適當(dāng)時(shí)間改變通過它的相電流在電機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的過程）而不是機(jī)械換向系統(tǒng)。BLDC 電機(jī)也稱為梯形永磁電機(jī)。

與傳統(tǒng)的有刷式直流電機(jī)不同，其中電刷與轉(zhuǎn)子上的換向器進(jìn)行機(jī)械接觸，從而在直流電源和轉(zhuǎn)子電樞繞組之間形成電路徑，BLDC 電機(jī)采用帶有永磁轉(zhuǎn)子的電氣換向和帶有一系列線圈的定子。在該電機(jī)中，永磁體（或磁場(chǎng)極）旋轉(zhuǎn)并且載流導(dǎo)體固定。

電樞線圈由晶體管或硅控整流器在正確的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行電子切換，使電樞場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)極點(diǎn)處于空間正交狀態(tài)。因此，作用在轉(zhuǎn)子上的力使其旋轉(zhuǎn)?；魻?a target="_blank">傳感器或旋轉(zhuǎn)編碼器最常用于感測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，并位于定子周圍。來自傳感器的轉(zhuǎn)子位置反饋有助于確定何時(shí)切換電樞電流。

這種電子換向布置消除了直流電機(jī)中的換向器布置和電刷，因此實(shí)現(xiàn)了更可靠和更少的噪音運(yùn)行。由于沒有電刷，BLDC電機(jī)能夠高速運(yùn)行。BLDC 電機(jī)的效率通常為 85% 至 90%，而有刷直流電機(jī)的效率為 75% 至 80%。BLDC 電機(jī)種類繁多，從小功率范圍到分?jǐn)?shù)馬力、積分馬力和大功率范圍。

無刷直流電機(jī)的構(gòu)造

BLDC 電機(jī)可以采用不同的物理配置。根據(jù)定子繞組的不同，這些繞組可以配置為單相、兩相或三相電機(jī)。然而，最常用的是帶有永磁轉(zhuǎn)子的三相 BLDC 電機(jī)。

該電機(jī)的結(jié)構(gòu)與三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以及常規(guī)直流電動(dòng)機(jī)有許多相似之處。與所有其他電機(jī)一樣，該電機(jī)具有定子和轉(zhuǎn)子部件。

電機(jī)的定子 ，由堆疊的鋼層壓組成，用于承載繞組。這些繞組放置在沿定子內(nèi)周軸向切割的槽中。這些繞組可以排列在星形或三角形中。但是，大多數(shù) BLDC 電機(jī)都有三相星形連接定子。

每個(gè)繞組都由許多互連的線圈構(gòu)成，其中一個(gè)或多個(gè)線圈放置在每個(gè)插槽中。為了形成偶數(shù)個(gè)極，這些繞組中的每一個(gè)都分布在定子外圍。

必須根據(jù)電源能力選擇具有正確額定電壓的定子。對(duì)于機(jī)器人、汽車和小型致動(dòng)應(yīng)用，48 V 或更低電壓的 BLDC 電機(jī)是首選。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用和自動(dòng)化系統(tǒng)，使用 100 V 或更高額定值的電機(jī)。

轉(zhuǎn)子

BLDC 電機(jī)在轉(zhuǎn)子中集成了永磁體。轉(zhuǎn)子中的極數(shù)可以從 2 到 8 對(duì)極不等，根據(jù)應(yīng)用要求交替使用南極和北極。為了在電機(jī)中實(shí)現(xiàn)最大扭矩，材料的磁通密度應(yīng)很高。轉(zhuǎn)子需要適當(dāng)?shù)拇判圆牧蟻懋a(chǎn)生所需的磁場(chǎng)密度。

鐵氧體磁體價(jià)格低廉，但是對(duì)于給定體積，它們的磁通量密度較低。稀土合金磁鐵通常用于新設(shè)計(jì)。其中一些合金是釤鈷（SmCo），釹（Nd）和鐵氧體和硼（NdFeB）。轉(zhuǎn)子可以采用不同的磁芯配置構(gòu)造，例如外圍帶有永磁體的圓形磁芯，帶有矩形磁鐵的圓形磁芯等。

霍爾傳感器

霍爾傳感器提供使定子電樞勵(lì)磁與轉(zhuǎn)子位置同步的信息。由于 BLDC 電機(jī)的換向是電子控制的，因此定子繞組應(yīng)按順序通電，以便使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在為特定定子繞組通電之前，必須確認(rèn)轉(zhuǎn)子位置。因此，嵌入在定子中的霍爾效應(yīng)傳感器可以感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置。

大多數(shù) BLDC 電機(jī)都包含三個(gè)嵌入到定子中的霍爾傳感器。每當(dāng)轉(zhuǎn)子極靠近它時(shí)，每個(gè)傳感器都會(huì)產(chǎn)生低信號(hào)和高信號(hào)。定子繞組的確切換向順序可以根據(jù)這三個(gè)傳感器的響應(yīng)組合來確定。

無刷直流電機(jī)的工作原理和工作原理

BLDC電機(jī)的工作原理類似于傳統(tǒng)直流電機(jī)，即洛倫茲力定律，該定律指出，每當(dāng)載流導(dǎo)體放置在磁場(chǎng)中時(shí)，它都會(huì)受到力的影響。由于反作用力，磁體將承受相等且相反的力。如果是 BLDC 電機(jī)，載流導(dǎo)體在永磁體移動(dòng)時(shí)是靜止的。

當(dāng)定子線圈由電源進(jìn)行電開關(guān)時(shí)，它變成電磁鐵并開始在氣隙中產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。雖然電源是直流電源，但開關(guān)會(huì)產(chǎn)生梯形的交流電壓波形。由于電磁鐵定子和永磁轉(zhuǎn)子之間的相互作用力，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

考慮下圖，其中電機(jī)定子根據(jù)不同的開關(guān)狀態(tài)被激勵(lì)。隨著繞組作為高低信號(hào)的切換，相應(yīng)的繞組通電為北極和南極。具有北極和南極的永磁轉(zhuǎn)子與定子極對(duì)齊，導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

觀察到電機(jī)產(chǎn)生扭矩是由于吸引力（南北或南北對(duì)齊時(shí)）和排斥力（當(dāng)北向或南南對(duì)齊時(shí)）的發(fā)展。通過這種方式，電機(jī)沿順時(shí)針方向移動(dòng)。

在這里，人們可能會(huì)問，我們?nèi)绾沃滥膫€(gè)定子線圈應(yīng)該通電以及何時(shí)通電。這是因?yàn)?電機(jī)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)取決于線圈周圍的開關(guān)順序。如上所述，霍爾傳感器向電子控制器單元提供軸位置反饋。

根據(jù)來自傳感器的該信號(hào)，控制器決定要通電的特定線圈。每當(dāng)轉(zhuǎn)子極靠近霍爾效應(yīng)傳感器時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器就會(huì)產(chǎn)生低電平和高電平信號(hào)。這些信號(hào)決定了軸的位置。

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

如上所述，電子控制器電路通過轉(zhuǎn)動(dòng)晶體管或其它固態(tài)開關(guān)來使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)來激勵(lì)適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)繞組。下圖顯示了簡(jiǎn)單的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，該電路由 MOSFET 電橋（也稱為逆變橋）、電子控制器、霍爾效應(yīng)傳感器和 BLDC 電機(jī)組成。

在這里，霍爾效應(yīng)傳感器用于位置和速度反饋。電子控制器可以是微控制器單元或微處理器或DSP 處理器或FPGA單元或任何其他控制器。該控制器接收這些信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理并將控制信號(hào)發(fā)送到MOSFET驅(qū)動(dòng)器電路。

除了切換電機(jī)的額定速度外，還根據(jù)所需的應(yīng)用更改電機(jī)速度的附加電子電路。這些速度控制單元通常與PID控制器一起實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)行精確控制。還可以從電機(jī)產(chǎn)生四象限操作，同時(shí)使用現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)器在整個(gè)速度變化中保持良好的效率。

無刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)直流電機(jī)相比，BLDC 電機(jī)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其中一些是

它沒有機(jī)械換向器和相關(guān)問題

使用永磁轉(zhuǎn)子，效率高

即使在裝載和卸載條件下也能高速運(yùn)行，因?yàn)闆]有限制速度的電刷

電機(jī)幾何形狀更小，重量比有刷直流和感應(yīng)交流電機(jī)更輕

使用壽命長(zhǎng)，換向器系統(tǒng)無需檢查和維護(hù)

由于定子中的低慣性和承載繞組，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更高

減少電磁干擾

由于沒有刷子，操作相當(dāng)（或噪音低）

無刷電機(jī)的缺點(diǎn)

這些電機(jī)價(jià)格昂貴