無刷直流電機(BLDC)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(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。無刷直流電機的實質(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。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，我們先來看看有刷電機：

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。

直流電機有以下缺點

結(jié)構(gòu)相對復雜，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：無刷直流電機模型示意圖

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。可見，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，位置傳感器導通時使功率管的 G極接 12V，功率管導通，對應的相線圈被通電。由于三個位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，會依次導通，使得對應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

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、應用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術(shù)才能達到。現(xiàn)今半導體發(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、無刷直流電機應用領(lǐng)域

應用領(lǐng)域一，辦公計算機外圍設備、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。現(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。

應用領(lǐng)域三，醫(yī)療設備領(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)中的應用會更加廣泛。

應用領(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。