無刷直流電機(BLDC)構(gòu)成、應(yīng)用領(lǐng)域及工作原理詳解

無刷直流電機（BLDC）是永磁式同步電機的一種，而并不是真正的直流電機，英文簡稱BLDC。區(qū)別于有刷直流電機，無刷直流電機不使用機械的電刷裝置，采用方波自控式永磁同步電機，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，性能上相較一般的傳統(tǒng)直流電機有很大優(yōu)勢，是當今最理想的調(diào)速電機。

一、有刷直流電機簡介

介紹無刷直流電機之前，我們來看看有刷電機：

直流電機以良好的啟動性能、調(diào)速性能等優(yōu)點著稱，其中屬于直流電機一類的有刷直流電機采用機械換向器，使得驅(qū)動方法簡單，其模型示意圖如下圖所示。

直流電機模型示意圖

DC電機（有刷電機）的運轉(zhuǎn)示意圖

電機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， 電機的換向器就會自動改變電機轉(zhuǎn)子的磁場方向，這樣，直流電機的轉(zhuǎn)子就會持續(xù)運轉(zhuǎn)下去。

有直流電機有以下缺點

結(jié)構(gòu)相對復(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；

換向時會產(chǎn)生火花，限制了使用范圍；

容易損壞，增加了維護成本等。

二、無刷直流電機簡介

BLDC電機中的“BL”意為“無刷”，就是DC電機（有刷電機）中的“電刷”沒有了。

無刷直流電機(BLDC)以電子換向器取代了機械換向器，所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調(diào)速性能等特點，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點。

圖1、無刷直流電機模型

BLDC電機的運轉(zhuǎn)示意圖

無刷直流電機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)組成?？梢?，它和直流電機有著很多共同點，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多(原來的定子變?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)上它們有一個明顯的區(qū)別：無刷直流電機沒有直流電機中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機結(jié)構(gòu)就相對簡單，降低了電機的制造和維護成本，但無刷直流電機不能自動換向(相)，犧牲的代價是電機控制器成本的提高(如同樣是三相直流電機，有刷直流電機的驅(qū)動橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機的驅(qū)動橋則需要 6 只功率管)。

圖1所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對極的無刷直流電機，它的定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外。另一種無刷直流電機的結(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座，而轉(zhuǎn)子用永磁材料制造。

無刷直流電機有以下的特點

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

無刷直流電機的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運行；

無刷直流電機的效率高、過載能力強，使得它在拖動系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn)；

無刷直流電機的再生制動效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動時電機可以進入發(fā)電機狀態(tài)；

無刷直流電機的體積小，功率密度高；

無刷直流電機無機械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進入電機內(nèi)部，可靠性高；

無刷直流電機比異步電機的驅(qū)動控制簡單。

三、無刷直流電機工作原理

無刷直流電機的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機通以固定的直流電流，則電機只能產(chǎn)生不變的磁場，電機不能轉(zhuǎn)動起來，只有實時檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機的不同相通以對應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，電機才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動起來。

如圖2所示為無刷直流電機的轉(zhuǎn)動原理示意圖，為了方便描述，電機定子的線圈中心抽頭接電機電源 POWER，各相的端點接功率管，位置傳感器導(dǎo)通時使功率管的 G極接 12V，功率管導(dǎo)通，對應(yīng)的相線圈被通電。由于三個位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，會依次導(dǎo)通，使得對應(yīng)的相線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場方向也不斷地變化，電機轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動起來，這就是無刷直流電機的基本轉(zhuǎn)動原理——檢測轉(zhuǎn)子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場的方向連續(xù)均勻地變化。

圖2：無刷直流電機轉(zhuǎn)動原理示意圖

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作為模型簡介，圖 A為電機轉(zhuǎn)子和定子在同一圓心上，圖B 為不同一圓心上，是為了方便說明電機內(nèi)部磁場。

無刷直流電機結(jié)構(gòu)示意圖

無刷直流電機 工作原理視頻

電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來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，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。

直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(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，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應(yīng)用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達到?，F(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)動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直角坐標系統(tǒng)中，適當控制交流電機在兩軸電流分量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當?shù)男阅堋?/p>

此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越??；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。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相，得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。

四、無刷直流電機的驅(qū)動方法

無刷直機電機的驅(qū)動方式按不同類別可分多種驅(qū)動方式，它們各有特點。

1.按驅(qū)動波形：方波驅(qū)動，這種驅(qū)動方式實現(xiàn)方便，易于實現(xiàn)電機無位置傳感器控制；

2.正弦驅(qū)動：這種驅(qū)動方式可以改善電機運行效果，使輸出力矩均勻，但實現(xiàn)過程相對復(fù)雜。同時，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、無刷直流電機應(yīng)用領(lǐng)域

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

這是無刷直流電機普及最廣、數(shù)量最大的領(lǐng)域。比如在生活中常見的打印機、傳真機、復(fù)印機、硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、電影攝影機、磁帶記錄儀等，在它們的主軸和附屬運動的帶動控制中，都有無刷直流電機的身影。

應(yīng)用領(lǐng)域二，工業(yè)控制領(lǐng)域。

近些年，由于無刷直流電機大規(guī)模的研發(fā)和技術(shù)的逐漸成熟，其驅(qū)動系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的分布范圍也隨之擴大，已逐步成為工業(yè)用電動機的發(fā)展主流。圍繞降低生產(chǎn)成本和提高運行效率而展開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的電機以滿足不同驅(qū)動系統(tǒng)的需求?，F(xiàn)階段在紡織、冶金、印刷、自動化生產(chǎn)流水線、數(shù)控機床等工業(yè)生產(chǎn)方面，無刷直流電機都有涉獵。

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

在國外，對無刷直流電機的使用已經(jīng)較為普遍，可以用來驅(qū)動人工心臟中的小型血泵；在國內(nèi)，手術(shù)用高速器具的高速離心機、熱像儀和測溫儀的紅外激光調(diào)制器都使用了無刷直流電機。

應(yīng)用領(lǐng)域四，汽車領(lǐng)域。

據(jù)分析在市面上，一般的家用轎車需要永磁電機 20-30 個，而每輛豪華轎車則需要59個之多，除了核心發(fā)動機外，在雨刷器、電動車門、汽車空調(diào)、電動車窗等部位都有電機的身影。隨著汽車工業(yè)向著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，所使用的電機也必須滿足高效率、低能耗的標準。而無刷直流電機的低噪聲、壽命長、無火花干擾、方便集中控制等優(yōu)點完全符合，隨著其調(diào)速技術(shù)的日益成熟，性價比會越來越高，它在汽車電機驅(qū)動的各個環(huán)節(jié)中的應(yīng)用會更加廣泛。

應(yīng)用領(lǐng)域五，家用電器領(lǐng)域。

“變頻”技術(shù)已非常普遍，作為中國家電的標志逐漸占據(jù)了大部分的消費市場，“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。這種轉(zhuǎn)變實質(zhì)上就是家電所用的電動機由感應(yīng)電動機向無刷直流電機及其控制器的過渡，以達到節(jié)能環(huán)保、低噪智能、舒適性高的要求。無刷直流電機的發(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)的革新與進步。

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　　審核編輯：湯梓紅