無刷直流電機BLDC最強科普收藏版

無刷直流電機（BLDC：Brushless Direct Current Motor），也被稱為電子換向電機（ECM或EC電機）或同步直流電機，是一種使用直流電（DC）電源的同步電機。無刷直流電機（BLDC：Brushless Direct Current Motor）實質上為采用直流電源輸入，并用逆變器變為三相交流電源，帶位置反饋的永磁同步電機。

無刷電機（BLDC：Brushless Direct Current Motor）屬于自換流型（自我方向轉換），因此控制起來更加復雜。

BLDC電機（Brushless Direct Current Motor）控制要求了解電機進行整流轉向的轉子位置和機制。對于閉環速度控制，有兩個附加要求，即對于轉子速度/或電機電流以及PWM信號進行測量，以控制電機速度功率。

BLDC電機（Brushless Direct Current Motor）可以根據應用要求采用邊排列或中心排列PWM信號。大多數應用僅要求速度變化操作，將采用6個獨立的邊排列PWM信號。這就提供了最高的分辨率。如果應用要求服務器定位、能耗制動或動力倒轉，推薦使用補充的中心排列PWM信號。

為了感應轉子位置，BLDC電機（Brushless Direct Current Motor）采用霍爾效應傳感器來提供絕對定位感應。這就導致了更多線的使用和更高的成本。無傳感器BLDC控制省去了對于霍爾傳感器的需要，而是采用電機的反電動勢(電動勢)來預測轉子位置。無傳感器控制對于像風扇和泵這樣的低成本變速應用至關重要。在采有BLDC電機（Brushless Direct Current Motor）時，冰箱和空調壓縮機也需要無傳感器控制。

電機有各式各樣的種類，而無刷直流電機是當今最理想的調速電機。它集直流電機與交流電機的優點于一身，既有直流電機良好的調整性能，又有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優點。因而備受市場歡迎，廣泛應用于汽車、家電、工業設備等領域中。

無刷直流電機克服了有刷直流電機的先天性缺陷，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速性能等特點，又具有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優點。

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無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor）是當今最理想的調速電機。它集直流電機與交流電機的優點于一身，既有直流電機良好的調整性能，又有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優點。

無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor）發展歷史

直流無刷電機是在有刷電機的基礎上發展而來的，其結構上要比有刷電機結構復雜。直流無刷電機由電機主體和驅動器組成，區別于有刷直流電機，無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor）不使用機械的電刷裝置，而是采用方波的自控式永磁同步電機，并以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉子的永磁材料。（需要指出的是，在上世紀誕生電機的時候，產生的實用性電機卻是無刷形式的。）

1740年代：電機發明開始

通過蘇格蘭科學家安德魯·戈登（Andrew Gordon）的研究工作，電機的早期模型首次出現于1740年代。其他科學家，例如邁克爾·法拉第（Michael Faraday）和約瑟夫·亨利（Joseph Henry）繼續開發早期的電機，嘗試電磁場并發現如何將電能轉化為機械能。

1832年：首款換向器直流電機的發明

1832年，英國物理學家威廉·斯特金（William Sturgeon）就發明了第一臺可以提供足夠動力來驅動機械的直流電機，但是由于其低功率輸出，仍有技術缺陷，應用上受到嚴重限制。

1834年：制造了第一臺真正的電機

跟隨Sturgeon的腳步，美國佛蒙特州的托馬斯·達文波特（Thomas Davenport）于1834年發明了第一臺正式的電池供電的電機，從而創造了歷史。這是第一臺具有足夠功率執行任務的電動馬達，他的發明被用于為小型印刷機提供動力。1837年，托馬斯·達文波特和他的妻子艾米莉·達文波特（Emily Davenport）獲得了第一項直流電機專利。

1886年：實用性直流電機的發明

1886年，第一臺可以在可變重量下恒速運行的實用直流電機面世。弗蘭克·朱利安·斯普拉格（Frank Julian Sprague）是其發明者。

值得一提的是，該實用性電機采用無刷形式，即交流式鼠籠式異步電機，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，異步電機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術發展緩慢。

1887年：交流感應電機獲得專利

1887年，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發明了交流感應電機（AC?induction?motor?），并在一年后成功申請了專利。它不適用于公路車輛，但后來由西屋公司的工程師進行了改裝。1892年，設計了第一臺實用的感應電機，接著是旋轉的條形繞組轉子，使該電機適用于汽車應用。

1891年：三相電機的開發

1891年，通用電氣開始開發三相感應電機（Three phase motor?）。為了利用繞線轉子設計，GE和西屋公司于1896年簽署了交叉許可協議。

1955年：直流無刷電機時代開始

1955年，美國d．harrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機機械電刷的專利，正式標志著現代無刷直流電機（Brushless Direct?Current Motor）的誕生。但當時沒有電機轉子位置檢測器件，該電機沒有起動能力。

1962年：第一臺無刷直流（BLDC）電機的發明

得益于1960年代初期固態技術的進步，1962年，TG Wilson和PH Trickey發明了第一臺無刷直流（BLDC）電機，他們稱之為“帶固態換向的直流電機”。無刷電機的關鍵要素是它不需要物理換向器，因此成為計算機磁盤驅動器，機器人和飛機的最流行選擇。

他們利用了霍爾元件來檢測轉子位置并控制繞組電流換相，使無刷直流電機達到實用化，但受到晶體管容量的限制，電機功率相對較小。

1970年代至今：無刷直流電機應用快速發展

70年代以來，隨著新型功率半導體器件（如GTR、MOSFET、IGBT、IPM）相繼出現，計算機控制技術（單片機、DSP、新的控制理論）的快速發展，以及高性能稀土永磁材料（如釤鈷、釹鐵硼）的問世，無刷直流電機（Brushless Direct?Current Motor）得到快速發展，容量不斷增大。

技術驅動產業發展，隨著1978年mac經典無刷直流電機及其驅動器的推出，以及80年代方波無刷電機和正弦波無刷直流電機的研發，無刷電機真正開始進入實用階段，并且得到快速發展。

無刷直流電機總體結構及原理

無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor）由同步電動機和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。同步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。

BLDCM控制系統結構包括電機本體、驅動電路與控制電路三個主要部分。在工作過程中，電機的電壓、電流和轉子位置信息由控制電路收集、處理并生成相應的控制信號，驅動電路在接收到控制信號后驅動電機本體工作。

無刷直流電機（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子和位置傳感器組成。位置傳感器，根據需要，也可以不配置。

定子

BLDC電機的定子結構與感應電機相似。它由堆疊的鋼疊片組成，并帶有軸向切槽以用于纏繞。BLDC中的繞組與傳統感應電機的繞組略有不同。

通常，大多數BLDC電機由三個定子繞組組成，這三個定子繞組以星形或“Y”形連接（無中性點）。另外，基于線圈互連，定子繞組進一步分為梯形和正弦電動機。

BLDC電機反電動勢

在梯形電動機中，驅動電流和反電動勢均呈梯形形狀（在正弦電動機的情況下為正弦形）。通常，在汽車和機器人技術（混合動力汽車和機器人手臂）中使用額定48 V（或以下）的電動機。

轉子

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

根據應用，極數可以在2到8個之間變化，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）磁體放置在轉子的外周上。

（b）稱為電磁嵌入式轉子，其中矩形永磁體嵌入轉子的鐵心中。

（c）將磁體插入轉子的鐵芯中。

BLDC電機轉子

位置傳感器（霍爾傳感器）

由于BLDC電機中沒有電刷，因此換向是電子控制的。為了使電機旋轉，必須順序地給定子繞組通電，并且必須知道轉子的位置（即轉子的北極和南極）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（根據霍爾效應原理工作）的位置傳感器來檢測轉子的位置并將其轉換為電信號。大多數BLDC電機使用三個霍爾傳感器，這些傳感器嵌入到定子中以檢測轉子的位置。

霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發現了霍爾效應，但是由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發展，開始用半導體材料制作霍爾元件，由于霍爾效應顯著而得到應用和發展。霍爾傳感器是一種當交變磁場經過時產生輸出電壓脈沖的傳感器。脈沖的幅度是由激勵磁場的場強決定的。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，這取決于轉子的北極是南極還是北極附近。通過組合三個傳感器的結果，可以確定通電的確切順序。

有別于有刷直流電機，無刷直流電機將定子和轉子完全顛倒，電樞繞組被設置在定子側，而把高質量永磁材料鑲嵌于轉子側。BLDCM的電機本體結構主要包括定子電樞繞組、永磁轉子和位置傳感器，三相繞組在電機定子空間上均勻布置，在相位之間分別相差120°電角度。該結構不同于純粹的有刷直流電動機，與交流電動機的定子繞組結構類似，但在電機工作時會由驅動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二-二導通方式，在同一時刻，驅動電路中導通兩只MOSFET，相應地，電機本體中兩相定子繞組串聯通電。每電子換相一次，定子磁動勢Fa轉過60°空間電角度，是一個步進式磁動勢，間隔60°時間電角度，Fa作一次跳躍。雖然轉子旋轉連續不斷，但是定子磁動勢轉動方式為步進式，這與真正的交流同步電機旋轉磁動勢相異。BLDCM的Fa與轉子磁動勢Ff的空間夾角總是在60°～120°范圍內周期性變化，平均值為90°，這樣保證了定、轉子磁動勢Fa、Ff相互作用得到的是平均最大電磁轉矩T，強力拖動永磁轉子連續旋轉。

無刷直流電機的工作原理與有刷直流電機相似。洛倫茲力定律指出，只要載流導體置于磁場中，它就會受到作用力。由于反作用力，磁體將承受相等且相反的力。當線圈中通過電流后，會產生磁場，該磁場被定子的磁極所驅動，同極性相互排斥，異極性相互吸引，如果持續改變線圈中電流的方向的話，那么轉子所感應出磁場的磁極也會持續發生變化，那么轉子就會在磁場的作用下一直轉動。

在BLDC電機中，永磁體（轉子）是運動的，而載流導體（定子）是固定的。

BLDC電機運轉示意圖

當定子線圈從電源獲得電源時，它就變成電磁體并開始在氣隙中產生均勻的磁場。盡管電源是直流電，但開關仍會產生具有梯形形狀的交流電壓波形。由于電磁定子和永磁轉子之間的相互作用力，轉子繼續旋轉。

通過將繞組切換為高和低信號，相應的繞組被激勵為北極和南極。帶有南極和北極的永磁轉子與定子極對齊，從而導致電機旋轉。

一對極和兩對極的 BLDC 電機運行動圖

無刷直流電機有三種配置：單相，兩相和三相。其中，三相BLDC是最常見的一種。

（3）無刷直流電機的驅動方法

無刷直機電機的驅動方式按不同類別可分多種驅動方式：

按驅動波形：方波驅動，這種驅動方式實現方便，易于實現電機無位置傳感器控制;

正弦驅動：這種驅動方式可以改善電機運行效果，使輸出力矩均勻，但實現過程相對復雜。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。

（4）無刷直流電機的優點與不足：

優點：

?高輸出功率

?小尺寸和重量

?散熱性好、效率高

?運行速度范圍寬

?低電噪聲

?高可靠性和低維護要求

?高動態響應

?電磁干擾少

不足：

控制該電機所需的電子控制器很昂貴

需要復雜的驅動電路

需要額外的位置傳感器（FOC不用）

（5）無刷直流電機的應用

無刷直流電機廣泛用于各種應用需求，例如工業控制（在紡織、冶金、印刷、自動化生產流水線、數控機床等工業生產方面，無刷直流電機都發揮重要的作用。），汽車（雨刷器、電動車門、汽車空調、電動車窗等部位都有電機的身影。），航空，自動化系統（在生活中常見的打印機、傳真機、復印機、硬盤驅動器、軟盤驅動器、電影攝影機等，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。），醫療保健設備（對無刷直流電機的使用已經較為普遍，可以用來驅動人工心臟中的小型血泵;在國內，手術用高速器具的高速離心機、熱像儀和測溫儀的紅外激光調制器都使用了無刷直流電機。）等領域中的各種負載，恒定負載和定位應用。

無刷直流電機與有刷直流電機的區別:

無刷直流電機與有刷直流電機的對比