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什么是無刷直流電機（BLDC)及其的應用

文章來源：永阜康科技更新時間：2024/1/23 10:26:00

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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。無刷直流電機的實質是直流電源輸入，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勢，是當今最理想的調速電機。

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、調速性能等優點著稱，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，電機的換向器就會自動改變電機轉子的磁場方向，這樣，直流電機的轉子就會持續運轉下去。
直流電機有以下缺點
結構相對復雜，增加了制造成本;
容易被環境(如灰塵等)影響，降低了工作的可靠性;
換向時會產生火花，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。

圖1：無刷直流電機模型示意圖

BLDC電機的運轉示意圖
無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉子、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，定子和轉子的結構差不多(原來的定子變為轉子，轉子變為定子)，繞組的連線也基本相同。但是，結構上它們有一個明顯的區別：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，電機結構就相對簡單，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，有刷直流電機的驅動橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機的驅動橋則需要 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，轉子在外。另一種無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，即定子是線圈繞組組成的機座，而轉子用永磁材料制造。
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矩，使得它可以提供大的起動轉矩;
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，使得它在拖動系統中有出色的表現;
無刷直流電機的再生制動效果好，由于它的轉子是永磁材料，制動時電機可以進入發電機狀態;
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，采用全封閉式結構，可以防止塵土進入電機內部，可靠性高;
無刷直流電機比異步電機的驅動控制簡單。
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，則電機只能產生不變的磁場，電機不能轉動起來，只有實時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，使定子產生方向均勻變化的旋轉磁場，電機才可以跟著磁場轉動起來。
如圖2所示為無刷直流電機的轉動原理示意圖，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子的轉動，會依次導通，使得對應的相線圈也依次通電，從而定子產生的磁場方向也不斷地變化，電機轉子也跟著轉動起來，這就是無刷直流電機的基本轉動原理——檢測轉子的位置，依次給各相通電，使定子產生的磁場的方向連續均勻地變化。

圖2：無刷直流電機轉動原理示意圖
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，是為了方便說明電機內部磁場。

無刷直流電機結構示意圖
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。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，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信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速;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，但直流電機的優點也正是它的缺點，因為直流電機要產生額定負載下恒定轉矩的性能，則電樞磁場與轉子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉動時會產生火花、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才能達到。現今半導體發展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實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上缺失的一種應用。
四、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，它們各有特點。
1.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;
2.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。
五、無刷直流電機應用領域
應用領域一，辦公計算機外圍設備、電子數碼消費品領域。
這是無刷直流電機普及最廣、數量最大的領域。比如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、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。
應用領域二，工業控制領域。
近些年，由于無刷直流電機大規模的研發和技術的逐漸成熟，其驅動系統在工業生產中的分布范圍也隨之擴大，已逐步成為工業用電動機的發展主流。圍繞降低生產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動系統的需求。現階段在紡織、冶金、印刷、自動化生產流水線、數控機床等工業生產方面，無刷直流電機都有涉獵。
應用領域三，醫療設備領域。
在國外，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。
應用領域四，汽車領域。
據分析在市面上，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，除了核心發動機外，在雨刷器、電動車門、汽車空調、電動車窗等部位都有電機的身影。隨著汽車工業向著節能環保的方向發展，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、方便集中控制等優點完全符合，隨著其調速技術的日益成熟，性價比會越來越高，它在汽車電機驅動的各個環節中的應用會更加廣泛。
應用領域五，家用電器領域。
“變頻”技術已非常普遍，作為中國家電的標志逐漸占據了大部分的消費市場，“直流變頻”受到生產廠商的青睞，已有逐漸替換掉“交流變頻”的轉變趨勢。這種轉變實質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，以達到節能環保、低噪智能、舒適性高的要求。無刷直流電機的發展方向與電力電子、傳感器、控制理論等技術的發展方向相同，它是多種技術相結合的產物，它的發展取決于與之相關的每一種技術的革新與進步。

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