電氣設備通常具有至少一個電機，用于將物體從其初始位置旋轉或移動。市場上有多種電機類型可供選擇，包括感應電機、伺服電機、直流電機（有刷和無刷）等。根據應用要求，可以選擇特定的電機。然而，當前的趨勢是大多數新設計正在轉向無刷直流電機，即俗稱的 BLDC 電機。

本文將重點介紹 BLDC 電機設計的以下方面：

BLDC 電機的構造

BLDC 電機的操作

扭矩和效率要求

與感應和有刷直流電機的比較

BLDC 電機的選擇標準

電機控制——速度、位置和扭矩，將在本文的第二部分中介紹。

建造BLDC 電機在結構和工作原理方面分別與交流感應電機和有刷直流電機有許多相似之處。與所有其他電機一樣，BLDC 電機也有轉子和定子。

定子

與感應交流電機類似，BLDC 電機定子由疊層鋼制成，??堆疊起來承載繞組。定子中的繞組可以有兩種排列方式；即星形圖案（Y）或三角形圖案（Δ）。兩種模式之間的主要區別在于，Y 模式在低轉速時提供高扭矩，而 Δ 模式在低轉速時提供低扭矩。這是因為在 Δ 配置中，一半的電壓施加在未驅動的繞組上，從而增加了損耗，進而增加了效率和扭矩。

定子中的鋼疊片可以是有槽的或無槽的，如圖 2 所示。無槽鐵芯具有較低的電感，因此它可以以非常高的速度運行。由于疊片組中沒有齒，對齒槽轉矩的要求也降低了，因此也使其成為低速的理想選擇（當轉子上的永磁體和定子上的齒相互對齊時，因為兩者之間的相互作用，會產生不希望的齒槽轉矩并導致速度波動）。無槽鐵芯的主要缺點是成本較高，因為它需要更多繞組來補償較大的氣隙。

正確選擇用于構造定子的疊層鋼和繞組對電機性能至關重要。選擇不當可能會導致生產過程中出現多個問題，從而導致市場延遲和設計成本增加。

轉子

典型 BLDC 電機的轉子由永磁體制成。根據應用要求，轉子中的極數可能會有所不同。增加極數確實會提供更好的扭矩，但代價是降低最大可能速度。

另一個影響最大扭矩的轉子參數是用于制造永磁體的材料。材料的磁通密度越高，扭矩就越高。

工作原理及操作

BLDC 電機工作的基本原理與有刷直流電機相同；即內部軸位置反饋。在有刷直流電機的情況下，使用機械換向器和電刷實現反饋。借助內置 BLDC 電機，可使用多個反饋傳感器來實現。最常用的傳感器是霍爾傳感器和光學編碼器。注意：霍爾傳感器根據霍爾效應原理工作，即當載流導體暴露在磁場中時，電荷載流子會受到基于導體兩側產生的電壓的力。

如果磁場方向反轉，產生的電壓也會反轉。對于 BLDC 電機中使用的霍爾效應傳感器，每當轉子磁極（N 或 S）經過霍爾傳感器附近時，它們都會產生一個高或低電平信號，該信號可用于確定軸的位置。

在換向系統中——基于使用反饋傳感器識別的電機位置的換向系統——三個電氣繞組中的兩個一次通電，如圖 4 所示。

在圖 4 （A） 中，標記為“001”的綠色繞組通電為北極，標記為“010”的藍色繞組通電為南極。由于這種激勵，轉子的南極與綠色繞組對齊，而北極與標記為“100”的紅色繞組對齊。為了移動轉子，“紅色”和“藍色”繞組沿圖 4（B） 所示的方向通電。這導致紅色繞組成為北極而藍色繞組成為南極。由于排斥力（紅色繞組 - 北 - 北對齊）和吸引力（藍色繞組 - 北 - 南對齊）的發展，定子中磁場的這種移動會產生扭矩，從而使轉子沿順時針方向移動。

當轉子開始移動時，該扭矩達到最大值，但隨著兩個磁場相互對齊，扭矩會減小。因此，為了保持扭矩或建立旋轉，定子產生的磁場應該不斷切換。為了趕上定子產生的磁場，轉子將繼續旋轉。由于定子和轉子的磁場都以相同的頻率旋轉，因此它們屬于同步電動機的范疇。

定子的這種切換以建立旋轉稱為換向。對于三相繞組，換相有 6 個步驟；即，6 種獨特的組合，其中電機繞組將通電。

本文第二部分將討論用于實現 BLDC 電機的驅動電路和波形。

扭矩和效率

對于電動機的研究，扭矩是一個非常重要的術語。根據定義，扭矩是力使物體繞其軸旋轉的趨勢。

因此，為了增加扭矩，要么必須增加力——這需要更強的磁鐵或更大的電流——要么必須增加距離——這需要更大的磁鐵。效率對于電機設計至關重要，因為它決定了消耗的電量。效率更高的電機也將需要更少的材料來產生所需的扭矩。

在哪里，

了解了上面提供的方程式后，了解速度與扭矩曲線變得很重要。

以下是圖 5 所示圖表的要點：

隨著速度的增加，扭矩減小（考慮到輸入功率是恒定的）。

當速度為“空載”速度的一半且扭矩為失速扭矩的一半時，可以提供最大功率。

應用

單速- 對于單速應用，感應電機更適合，但如果必須隨著負載的變化保持速度，那么由于 BLDC 電機的速度-轉矩曲線平坦，BLDC 電機非常適合此類應用程序。

可調速- BLDC 電機更適合此類應用，因為變速感應電機還需要額外的控制器，從而增加系統成本。由于定期維護，有刷直流電機也將成為更昂貴的解決方案。

位置控制– 不需要像電磁爐這樣的應用程序進行精確控制，而且維護成本低；BLDC 電機在這里也是贏家。然而，對于此類應用，BLDC 電機使用光學編碼器，并且需要復雜的控制器來監控扭矩、速度和位置。

低噪聲應用——有刷直流電機以產生更多 EMI 噪聲而聞名，因此 BLDC 更適合，但對 BLDC 電機的控制要求也會產生 EMI 和可聽噪聲。然而，這可以通過使用磁場定向控制 （FOC） 正弦 BLDC 電機控制來解決。