什么是無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC)以及它的應(yīng)用

無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)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)。無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)質(zhì)是直流電源輸入，采用電子逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，有轉(zhuǎn)子位置反饋的三相交流永磁同步電機(jī)。性能上相較一般的傳統(tǒng)直流電機(jī)有很大優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。

一、有刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介

介紹無(wú)刷直流電機(jī)之前，我們先來(lái)看看有刷電機(jī)：

直流電機(jī)以良好的啟動(dòng)性能、調(diào)速性能等優(yōu)點(diǎn)著稱(chēng)，其中屬于直流電機(jī)一類(lèi)的有刷直流電機(jī)采用機(jī)械換向器，使得驅(qū)動(dòng)方法簡(jiǎn)單，其模型示意圖如下圖所示。

直流電機(jī)模型示意圖

DC電機(jī)(有刷電機(jī))的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

電機(jī)主要由永磁材料制造的定子、繞有線圈繞組的轉(zhuǎn)子(電樞) 、換向器和電刷等構(gòu)成。只要在電刷的A和B兩端通入一定的直流電流， 電機(jī)的換向器就會(huì)自動(dòng)改變電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向，這樣，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子就會(huì)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下去。

直流電機(jī)有以下缺點(diǎn)

結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，增加了制造成本;

容易被環(huán)境(如灰塵等)影響，降低了工作的可靠性;

換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，限制了使用范圍;

容易損壞，增加了維護(hù)成本等。

二、無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介

BLDC電機(jī)中的“BL”意為“無(wú)刷”，就是DC電機(jī)(有刷電機(jī))中的“電刷”沒(méi)有了。

無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)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)。

圖1：無(wú)刷直流電機(jī)模型示意圖

BLDC電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

無(wú)刷直流電機(jī)主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無(wú))組成。可見(jiàn)，它和直流電機(jī)有著很多共同點(diǎn)，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多(原來(lái)的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ?，繞組的連線也基本相同。但是，結(jié)構(gòu)上它們有一個(gè)明顯的區(qū)別：無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有直流電機(jī)中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機(jī)結(jié)構(gòu)就相對(duì)簡(jiǎn)單，降低了電機(jī)的制造和維護(hù)成本，但無(wú)刷直流電機(jī)不能自動(dòng)換向(相)，犧牲的代價(jià)是電機(jī)控制器成本的提高(如同樣是三相直流電機(jī)，有刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋需要 4 只功率管，而無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋則需要 6 只功率管)。

圖1所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對(duì)極的無(wú)刷直流電機(jī)，它的定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外。另一種無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和這種剛剛相反，它的定子在外，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，即定子是線圈繞組組成的機(jī)座，而轉(zhuǎn)子用永磁材料制造。

無(wú)刷直流電機(jī)有以下特點(diǎn)

無(wú)刷直流電機(jī)的外特性好，能夠在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩，使得它可以提供大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩;

無(wú)刷直流電機(jī)的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運(yùn)行;

無(wú)刷直流電機(jī)的效率高、過(guò)載能力強(qiáng)，使得它在拖動(dòng)系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn);

無(wú)刷直流電機(jī)的再生制動(dòng)效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動(dòng)時(shí)電機(jī)可以進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài);

無(wú)刷直流電機(jī)的體積小，功率密度高;

無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可靠性高;

無(wú)刷直流電機(jī)比異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單。

三、無(wú)刷直流電機(jī)工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機(jī)通以固定的直流電流，則電機(jī)只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)，電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，只有實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的不同相通以對(duì)應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)才可以跟著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

如圖2所示為無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖，為了方便描述，電機(jī)定子的線圈中心抽頭接電機(jī)電源 POWER，各相的端點(diǎn)接功率管，位置傳感器導(dǎo)通時(shí)使功率管的 G極接 12V，功率管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的相線圈被通電。由于三個(gè)位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)依次導(dǎo)通，使得對(duì)應(yīng)的相線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也不斷地變化，電機(jī)轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，這就是無(wú)刷直流電機(jī)的基本轉(zhuǎn)動(dòng)原理——檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向連續(xù)均勻地變化。

圖2：無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖

為了方便理解，本文以下內(nèi)容統(tǒng)一用如下圖所示的這兩種符號(hào)作為模型簡(jiǎn)介，圖 A為電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子在同一圓心上，圖B 為不同一圓心上，是為了方便說(shuō)明電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)。

無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

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。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng);接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護(hù)和顯示等等。

直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機(jī)沒(méi)有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到。現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來(lái)越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，達(dá)到類(lèi)似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

此外已有很多微處理機(jī)將控制電機(jī)必需的功能做在芯片中，而且體積越來(lái)越小;像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，adc)、脈沖寬度調(diào)制(pulse wide modulator，pwm)…等。直流無(wú)刷電機(jī)即是以電子方式控制交流電機(jī)換相，得到類(lèi)似直流電機(jī)特性又沒(méi)有直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。

四、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，它們各有特點(diǎn)。

1.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;

2.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。

五、無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

應(yīng)用領(lǐng)域一，辦公計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、電子數(shù)碼消費(fèi)品領(lǐng)域。

這是無(wú)刷直流電機(jī)普及最廣、數(shù)量最大的領(lǐng)域。比如在生活中常見(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)、磁帶記錄儀等，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。

應(yīng)用領(lǐng)域二，工業(yè)控制領(lǐng)域。

近些年，由于無(wú)刷直流電機(jī)大規(guī)模的研發(fā)和技術(shù)的逐漸成熟，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的分布范圍也隨之?dāng)U大，已逐步成為工業(yè)用電動(dòng)機(jī)的發(fā)展主流。圍繞降低生產(chǎn)成本和提高運(yùn)行效率而展開(kāi)的研究與嘗試已取得顯著的效益，各大廠商也提供不同型號(hào)的電機(jī)以滿足不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求?，F(xiàn)階段在紡織、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)都有涉獵。

應(yīng)用領(lǐng)域三，醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域。

在國(guó)外，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)。

應(yīng)用領(lǐng)域四，汽車(chē)領(lǐng)域。

據(jù)分析在市面上，一般的家用轎車(chē)需要永磁電機(jī) 20-30 個(gè)，而每輛豪華轎車(chē)則需要59個(gè)之多，除了核心發(fā)動(dòng)機(jī)外，在雨刷器、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。隨著汽車(chē)工業(yè)向著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，所使用的電機(jī)也必須滿足高效率、低能耗的標(biāo)準(zhǔn)。而無(wú)刷直流電機(jī)的低噪聲、壽命長(zhǎng)、無(wú)火花干擾、方便集中控制等優(yōu)點(diǎn)完全符合，隨著其調(diào)速技術(shù)的日益成熟，性?xún)r(jià)比會(huì)越來(lái)越高，它在汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

應(yīng)用領(lǐng)域五，家用電器領(lǐng)域。

“變頻”技術(shù)已非常普遍，作為中國(guó)家電的標(biāo)志逐漸占據(jù)了大部分的消費(fèi)市場(chǎng)，“直流變頻”受到生產(chǎn)廠商的青睞，已有逐漸替換掉“交流變頻”的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。這種轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上就是家電所用的電動(dòng)機(jī)由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)向無(wú)刷直流電機(jī)及其控制器的過(guò)渡，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保、低噪智能、舒適性高的要求。無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展方向與電力電子、傳感器、控制理論等技術(shù)的發(fā)展方向相同，它是多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的發(fā)展取決于與之相關(guān)的每一種技術(shù)的革新與進(jìn)步。