什么是無(wú)刷直流電機（BLDC)以及它的應用

無(wú)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(wú)刷直流電機既具有直流電機良好的調速性能等特點(diǎn)，又具有交流電機結構簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷直流電機的實(shí)質(zhì)是直流電源輸入，采用電子逆變器將直流電轉換為交流電，有轉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直流電機有很大優(yōu)勢，是當今最理想的調速電機。

一、有刷直流電機簡(jiǎn)介

介紹無(wú)刷直流電機之前，我們先來(lái)看看有刷電機：

直流電機以良好的啟動(dòng)性能、調速性能等優(yōu)點(diǎn)著(zhù)稱(chēng)，其中屬于直流電機一類(lèi)的有刷直流電機采用機械換向器，使得驅動(dòng)方法簡(jiǎn)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)的運轉示意圖

電機主要由永磁材料制造的定子、繞有線(xiàn)圈繞組的轉子(電樞) 、換向器和電刷等構成。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(huì )自動(dòng)改變電機轉子的磁場(chǎng)方向，這樣，直流電機的轉子就會(huì )持續運轉下去。

直流電機有以下缺點(diǎn)

結構相對復雜，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(shí)會(huì )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(wú)刷直流電機簡(jiǎn)介

BLDC電機中的“BL”意為“無(wú)刷”，就是DC電機(有刷電機)中的“電刷”沒(méi)有了。

無(wú)刷直流電機(BLDC)以電子換向器取代了機械換向器，所以無(wú)刷直流電機既具有直流電機良好的調速性能等特點(diǎn)，又具有交流電機結構簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點(diǎn)。

圖1：無(wú)刷直流電機模型示意圖

BLDC電機的運轉示意圖

無(wú)刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉子、帶有線(xiàn)圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無(wú))組成?？梢?jiàn)，它和直流電機有著(zhù)很多共同點(diǎn)，定子和轉子的結構差不多(原來(lái)的定子變?yōu)檗D子，轉子變?yōu)槎ㄗ?，繞組的連線(xiàn)也基本相同。但是，結構上它們有一個(gè)明顯的區別：無(wú)刷直流電機沒(méi)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，電機結構就相對簡(jiǎn)單，降低了電機的制造和維護成本，但無(wú)刷直流電機不能自動(dòng)換向(相)，犧牲的代價(jià)是電機控制器成本的提高(如同樣是三相直流電機，有刷直流電機的驅動(dòng)橋需要 4 只功率管，而無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)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(wú)刷直流電機，它的定子在內，轉子在外。另一種無(wú)刷直流電機的結構和這種剛剛相反，它的定子在外，轉子在內，即定子是線(xiàn)圈繞組組成的機座，而轉子用永磁材料制造。

無(wú)刷直流電機有以下特點(diǎn)

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

無(wú)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(wú)刷直流電機的效率高、過(guò)載能力強，使得它在拖動(dòng)系統中有出色的表現;

無(wú)刷直流電機的再生制動(dòng)效果好，由于它的轉子是永磁材料，制動(dòng)時(shí)電機可以進(jìn)入發(fā)電機狀態(tài);

無(wú)刷直流電機的體積小，功率密度高;

無(wú)刷直流電機無(wú)機械換向器，采用全封閉式結構，可以防止塵土進(jìn)入電機內部，可靠性高;

無(wú)刷直流電機比異步電機的驅動(dòng)控制簡(jiǎn)單。

三、無(wú)刷直流電機工作原理

無(wú)刷直流電機的定子是線(xiàn)圈繞組電樞，轉子是永磁體。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(chǎng)，電機不能轉動(dòng)起來(lái)，只有實(shí)時(shí)檢測電機轉子的位置，再根據轉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磁場(chǎng)，電機才可以跟著(zhù)磁場(chǎng)轉動(dòng)起來(lái)。

如圖2所示為無(wú)刷直流電機的轉動(dòng)原理示意圖，為了方便描述，電機定子的線(xiàn)圈中心抽頭接電機電源 POWER，各相的端點(diǎn)接功率管，位置傳感器導通時(shí)使功率管的 G極接 12V，功率管導通，對應的相線(xiàn)圈被通電。由于三個(gè)位置傳感器隨著(zhù)轉子的轉動(dòng)，會(huì )依次導通，使得對應的相線(xiàn)圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也不斷地變化，電機轉子也跟著(zhù)轉動(dòng)起來(lái)，這就是無(wú)刷直流電機的基本轉動(dòng)原理——檢測轉子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向連續均勻地變化。

圖2：無(wú)刷直流電機轉動(dòng)原理示意圖

為了方便理解，本文以下內容統一用如下圖所示的這兩種符號作為模型簡(jiǎn)介，圖 A為電機轉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(shuō)明電機內部磁場(chǎng)。

無(wú)刷直流電機結構示意圖

電動(dòng)機的定子繞組多做成三相對稱(chēng)星形接法，同三相異步電動(dòng)機十分相似。電動(dòng)機的轉子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測電動(dòng)機轉子的極性，在電動(dòng)機內裝有位置傳感器。驅動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動(dòng)機的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號，以控制電動(dòng)機的啟動(dòng)、停止和制動(dòng);接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續轉矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來(lái)控制和調整轉速;提供保護和顯示等等。

直流電機具有響應快速、較大的起動(dòng)轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，但直流電機的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉子磁場(chǎng)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動(dòng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會(huì )造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機沒(méi)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?，F今半導體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅動(dòng)電機的性能。微處理機速度亦越來(lái)越快，可實(shí)現將交流電機控制置于一旋轉的兩軸直角坐標系統中，適當控制交流電機在兩軸電流分量，達到類(lèi)似直流電機控制并有與直流電機相當的性能。

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(lái)越小;像模擬/數字轉換器(analog-to-digital converter，adc)、脈沖寬度調制(pulse wide modulator，pwm)…等。直流無(wú)刷電機即是以電子方式控制交流電機換相，得到類(lèi)似直流電機特性又沒(méi)有直流電機機構上缺失的一種應用。

四、無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)方法

無(wú)刷直機電機的驅動(dòng)方式按不同類(lèi)別可分多種驅動(dòng)方式，它們各有特點(diǎn)。

1.按驅動(dòng)波形：方波驅動(dòng)，這種驅動(dòng)方式實(shí)現方便，易于實(shí)現電機無(wú)位置傳感器控制;

2.正弦驅動(dòng)：這種驅動(dòng)方式可以改善電機運行效果，使輸出力矩均勻，但實(shí)現過(guò)程相對復雜。同時(shí)，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(wú)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、電子數碼消費品領(lǐng)域。

這是無(wú)刷直流電機普及最廣、數量最大的領(lǐng)域。比如在生活中常見(jiàn)的打印機、傳真機、復印機、硬盤(pán)驅動(dòng)器、軟盤(pán)驅動(dòng)器、電影攝影機、磁帶記錄儀等，在它們的主軸和附屬運動(dòng)的帶動(dòng)控制中，都有無(wú)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(wú)刷直流電機大規模的研發(fā)和技術(shù)的逐漸成熟，其驅動(dòng)系統在工業(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(dòng)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(kāi)的研究與嘗試已取得顯著(zhù)的效益，各大廠(chǎng)商也提供不同型號的電機以滿(mǎn)足不同驅動(dòng)系統的需求?，F階段在紡織、冶金、印刷、自動(dòng)化生產(chǎn)流水線(xiàn)、數控機床等工業(yè)生產(chǎn)方面，無(wú)刷直流電機都有涉獵。

應用領(lǐng)域三，醫療設備領(lǐng)域。

在國外，對無(wú)刷直流電機的使用已經(jīng)較為普遍，可以用來(lái)驅動(dòng)人工心臟中的小型血泵;在國內，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制器都使用了無(wú)刷直流電機。

應用領(lǐng)域四，汽車(chē)領(lǐng)域。

據分析在市面上，一般的家用轎車(chē)需要永磁電機 20-30 個(gè)，而每輛豪華轎車(chē)則需要59個(gè)之多，除了核心發(fā)動(dòng)機外，在雨刷器、電動(dòng)車(chē)門(mén)、汽車(chē)空調、電動(dòng)車(chē)窗等部位都有電機的身影。隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)向著(zhù)節能環(huán)保的方向發(fā)展，所使用的電機也必須滿(mǎn)足高效率、低能耗的標準。而無(wú)刷直流電機的低噪聲、壽命長(cháng)、無(wú)火花干擾、方便集中控制等優(yōu)點(diǎn)完全符合，隨著(zhù)其調速技術(shù)的日益成熟，性?xún)r(jià)比會(huì )越來(lái)越高，它在汽車(chē)電機驅動(dòng)的各個(gè)環(huán)節中的應用會(huì )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了大部分的消費市場(chǎng)，“直流變頻”受到生產(chǎn)廠(chǎng)商的青睞，已有逐漸替換掉“交流變頻”的轉變趨勢。這種轉變實(shí)質(zhì)上就是家電所用的電動(dòng)機由感應電動(dòng)機向無(wú)刷直流電機及其控制器的過(guò)渡，以達到節能環(huán)保、低噪智能、舒適性高的要求。無(wú)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(jìn)步。