無刷直流電機 （BLDC） 一直是眾多電機制造商關注的領域，因為這些電機越來越成為許多應用的首選，尤其是在電機控制技術領域。BLDC 電機在許多方面都優于有刷直流電機，例如高速運行、高效率和更好的散熱能力。

它們是現代驅動技術不可或缺的一部分，最常用于驅動驅動器、機床、電力推進、機器人、計算機外圍設備以及發電。隨著除數字控制之外的無傳感器技術的發展，這些電機在總系統成本、尺寸和可靠性方面變得如此有效。

什么是無刷直流電機（BLDC）？

無刷直流電機（稱為 BLDC）是一種由直流 （DC） 電力驅動的永磁同步電動機，它完成電子控制換向系統（換向是通過在適當時間改變通過它的相電流在電機中產生旋轉轉矩的過程）而不是機械換向系統。BLDC 電機也稱為梯形永磁電機。

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

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

這種電子換向布置消除了直流電機中的換向器布置和電刷，因此實現了更可靠和更少的噪音運行。由于沒有電刷，BLDC電機能夠高速運行。BLDC 電機的效率通常為 85% 至 90%，而有刷直流電機的效率為 75% 至 80%。BLDC 電機種類繁多，從小功率范圍到分數馬力、積分馬力和大功率范圍。

無刷直流電機的構造

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

該電機的結構與三相感應電動機以及常規直流電動機有許多相似之處。與所有其他電機一樣，該電機具有定子和轉子部件。

電機的定子 ，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 BLDC 電機都有三相星形連接定子。

每個繞組都由許多互連的線圈構成，其中一個或多個線圈放置在每個插槽中。為了形成偶數個極，這些繞組中的每一個都分布在定子外圍。

必須根據電源能力選擇具有正確額定電壓的定子。對于機器人、汽車和小型致動應用，48 V 或更低電壓的 BLDC 電機是首選。對于工業應用和自動化系統，使用 100 V 或更高額定值的電機。

轉子

BLDC 電機在轉子中集成了永磁體。轉子中的極數可以從 2 到 8 對極不等，根據應用要求交替使用南極和北極。為了在電機中實現最大扭矩，材料的磁通密度應很高。轉子需要適當的磁性材料來產生所需的磁場密度。

鐵氧體磁體價格低廉，但是對于給定體積，它們的磁通量密度較低。稀土合金磁鐵通常用于新設計。其中一些合金是釤鈷（SmCo），釹（Nd）和鐵氧體和硼（NdFeB）。轉子可以采用不同的磁芯配置構造，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磁與轉子位置同步的信息。由于 BLDC 電機的換向是電子控制的，因此定子繞組應按順序通電，以便使電機旋轉。在為特定定子繞組通電之前，必須確認轉子位置。因此，嵌入在定子中的霍爾效應傳感器可以感應轉子位置。

大多數 BLDC 電機都包含三個嵌入到定子中的霍爾傳感器。每當轉子極靠近它時，每個傳感器都會產生低信號和高信號。定子繞組的確切換向順序可以根據這三個傳感器的響應組合來確定。

無刷直流電機的工作原理和工作原理

BLDC電機的工作原理類似于傳統直流電機，即洛倫茲力定律，該定律指出，每當載流導體放置在磁場中時，它都會受到力的影響。由于反作用力，磁體將承受相等且相反的力。如果是 BLDC 電機，載流導體在永磁體移動時是靜止的。

當定子線圈由電源進行電開關時，它變成電磁鐵并開始在氣隙中產生均勻的磁場。雖然電源是直流電源，但開關會產生梯形的交流電壓波形。由于電磁鐵定子和永磁轉子之間的相互作用力，轉子繼續旋轉。

考慮下圖，其中電機定子根據不同的開關狀態被激勵。隨著繞組作為高低信號的切換，相應的繞組通電為北極和南極。具有北極和南極的永磁轉子與定子極對齊，導致電機旋轉。

觀察到電機產生扭矩是由于吸引力（南北或南北對齊時）和排斥力（當北向或南南對齊時）的發展。通過這種方式，電機沿順時針方向移動。

在這里，人們可能會問，我們如何知道哪個定子線圈應該通電以及何時通電。這是因為;電機的連續旋轉取決于線圈周圍的開關順序。如上所述，霍爾傳感器向電子控制器單元提供軸位置反饋。

根據來自傳感器的該信號，控制器決定要通電的特定線圈。每當轉子極靠近霍爾效應傳感器時，霍爾效應傳感器就會產生低電平和高電平信號。這些信號決定了軸的位置。

無刷直流電機驅動

如上所述，電子控制器電路通過轉動晶體管或其它固態開關來使電機連續旋轉來激勵適當的電機繞組。下圖顯示了簡單的 BLDC 電機驅動電路，該電路由 MOSFET 電橋（也稱為逆變橋）、電子控制器、霍爾效應傳感器和 BLDC 電機組成。

在這里，霍爾效應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，對其進行處理并將控制信號發送到MOSFET驅動器電路。

除了切換電機的額定速度外，還根據所需的應用更改電機速度的附加電子電路。這些速度控制單元通常與PID控制器一起實現，以進行精確控制。還可以從電機產生四象限操作，同時使用現代驅動器在整個速度變化中保持良好的效率。

無刷直流電機的優勢

與傳統直流電機相比，BLDC 電機有幾個優點，其中一些是

它沒有機械換向器和相關問題

使用永磁轉子，效率高

即使在裝載和卸載條件下也能高速運行，因為沒有限制速度的電刷

電機幾何形狀更小，重量比有刷直流和感應交流電機更輕

使用壽命長，換向器系統無需檢查和維護

由于定子中的低慣性和承載繞組，動態響應更高

減少電磁干擾

由于沒有刷子，操作相當（或噪音低）

無刷電機的缺點

這些電機價格昂貴

電子控制器需要控制這種電機很貴

許多集成電子控制解決方案的可用性不高，尤其是對于微型 BLDC 電機

需要復雜的驅動電路

需要額外的傳感器

無刷直流電機的應用

無刷直流電機 （BLDC） 用于各種應用要求，例如工業控制、汽車、航空、自動化系統、醫療保健設備等領域的變化負載、恒定負載和定位應用。BLDC電機的一些具體應用是

計算機硬盤驅動器和DVD / CD播放器

電動汽車、混合動力汽車和電動自行車

工業機器人、數控機床和簡單的皮帶驅動系統

洗衣機、壓縮機和烘干機

風扇、泵和鼓風機