【直流无刷电机】知识汇总：原理、优势、应用！

顾名思义，直流无刷电机(Brushless DC Motor，简称BLDC)是一种不使用机械换向触头(碳刷)的直流电机，而是通过电子控制器实现换向取代传统带碳刷的直流电机，所以又被称为电子式可调速直流电动机或电子式换向直流电机。

与此相对应的就是最基本的电机，“DC电机（有刷电机）”。在磁场中放置线圈，通过流动的电流，线圈会被一侧的磁极排斥，同时被另一侧磁极所吸引，在这种作用下不断旋转。在旋转过程中令通向线圈中的电流反向流动，使其持续旋转。电机中有个叫"换向器"的部分是靠"电刷"供电的，"电刷"的位置在"转向器"上方，随着旋转不断移动。通过改变电刷的位置，可使电流方向发生变化。换向器和电刷是DC电机的旋转所不可或缺的结构。换向器切换线圈中电流的流向，反转磁极的方向，使其始终向右旋转。电刷向与轴一同旋转的换向器供电。

△ DC电机（有刷电机）的运转示意图

BLDC电动机电机采用永磁体来做转子，转子里是没有线圈的。由于转子里没有线圈，所以不需要用于通电的换向器和电刷。取而代之的是作为定子的线圈。

△ BLDC电机的运转示意图

DC电机（有刷电机）中被固定的永磁体所制造出的磁场是不会动的，通过控制线圈（转子）在其内部产生的磁场来旋转。要通过改变电压来改变旋转数。BLDC电机的转子是永磁体，通过改变周围的线圈所产生的磁场的方向使转子旋转。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。

无刷直流电机有三种配置：单相，两相和三相。其中，三相BLDC是最常见的一种。一般情况下单相和三相的这两种无刷电机在日常电器产品中使用使用比较多。这两种结构的无刷电机底层原理相同，但控制方式稍有不同。

△单相与三相无刷电机示意

单相无刷电机内部所有绕组由一根线完成，各绕组之间的电流方向不同，在适当位置和时机改变其电流方向就能实现电机转动控制。这种结构一般使用4个mos管就可以控制。使用具备H桥功能的芯片再加以反馈辅助信号就可以像控制普通电机一样控制它了，这种结构的控制方式相对简单，所以在散热器风扇等产品中应用相对比较广泛。

△单相无刷电机控制示意图

和单相结构不同的三相无刷电机内部绕组被分为三组，表面上它是三组独立的绕组，但是其内部实际还是相互联通的。相比于单相结构，这种结构的电机在速度控制与整体噪音方面更有优势，所以这种结构的无刷电机使用范围更广。无刷电机内部通常被简化为如下所示的星型结构：

△ 无刷电机的星型结构

控制三相无刷电机通常需要6个mos管，在合适的时机（由反馈信号给予）切换电路导通方向从而驱动转子旋转。

△ 三相无刷电机控制示意图

无刷电机绕组导通与旋转控制示意图如下：

我们再结合控制信号以更好地辨识无刷电机运动原理：

根据上图可以得知，在实际场景下，无刷电机在电流换向时或多或少都会有一些抖动，一般情况下如果使用PWM方波驱动电机容易产生抖动和噪音，所以现在更合理的做法是使用正弦信号来驱动，这样可以使得电机运行更平稳，耗能更低。

1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；

2、具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构;

3、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载;

4、体积小、重量轻、出力大;

5、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小;

6、无级调速，调速范围广，过载能力强;

7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置;

8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%。

9、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单;

10、耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长;

11、不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型;

12、根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。

单个的无刷电机不是一套完整的动力系统，无刷基本必须通过无刷控制器也就是电调的控制才能实现连续不断的运转。普通的碳刷电机旋转的是绕组，而无刷电机不论是外转子结构还是内转子结构旋转的都是磁铁。所以任何一个电机都是由定子和转子共同构成的。

无刷电机的定子是产生旋转磁场的部分，能够支撑转子进行旋转，主要由硅钢片、漆包线、轴承、支撑件构成；而转子则是钕铁硼磁铁，在定子旋转磁场的作用进行旋转的部件，主要由转轴、磁铁、支持件构成。除此之外，定子与转子组成的磁极对数还影响着电机的转速与扭力。

无刷电机结构

无刷电机的前盖、中盖、后盖主要是整体结构件，起到构建电机整体结构的作用。但是外转子无刷电机的外壳同时也是磁铁的磁路通路，所以外壳必须是导磁性的物质构成。内转子的外壳只是结构件，所以不限定材质。但是内转子电机比外转子电机多一个转子铁芯，这个转子铁芯的作用同样也是起到磁路通路的作用。

磁铁：是安装在转子上，是无刷电机的重要组成部分，无刷电机的绝大部分性能参数都与磁铁相关，包括功率、转速、扭矩等。

硅钢片：是有槽无刷电机的重要组成部分，当然，无槽无刷电机是没有硅钢片的，但是目前绝大多数的无刷电机都是有槽的。它在整个系统中的作用主要是降低磁阻、参与磁路运转。

转轴：是电机转子的直接受力部分，转轴的硬度必须能满足转子高速旋转的要求。

轴承：是电机运转顺畅的保证，轴承可以分为滑动轴承和滚动轴承，而滚动轴承又可以细分为深沟球轴承、滚针轴承和角接触轴承等十大类，而目前大多数的无刷电机都是采用深沟球轴承。

BLDC的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，BLDC可以分为以下三种主要用途： 

这种应用主要用于那些需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用。通常这类应用成本比较低且多是开环控制。 

这类主要指的是电机转速需要在某个范围内变化的应用，在这类应用中主要对电机的高转速特性和动态响应特性有更高的要求。家用器具中的洗衣机、甩干机和压缩机就是很好的例子。在汽车工业领域，油泵控制、电控制器、发动机控制和电子工具等也是很好的例子。在航空领域也有很多的应用，比如离心机、泵、机械臂、陀螺仪等等。这个领域中多使用电机反馈器件组成半开环和闭环进行控制。这就需要复杂的控制算法，增加了控制器的复杂程度也增加了系统成本。 

大多数的工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别。在这些应用中往往会完成能量的输送，如齿轮或者传送带，因此系统对电机的转速的动态响应和转矩有特别的要求，同时这些应用也可能需要随时的改变电机的转向，电机可能工作在匀速，加速，减少阶段，而且有可能在这些阶段中负载也在变化，所以这对控制器提出了更高的要求，通常这种控制使用闭环控制，甚至会有扭矩环、速度环和位置环三个控制环。测速时可能会用上光电编码器和一些同步设备。有时候这些传感器会被用于测量相对位置，也有时候用于测量绝对位置。过程控制、机械控制和运输控制很多都属于这类应用。

总的来说，无刷电机相对传统的有刷电机、感应电机而言，它拥有高的转速/扭矩比、好动态特性、高效率、长寿命、低噪声、宽转速范围和制造容易等等优良特性。特别是去单位体积的功率输出特性使得其可以用于对尺寸和重量敏感的场合。这些优良的特性使得BLDC在工业控制领域、汽车工业、航空航天等等领域有着非常广泛的应用。