无刷直流电机 （BLDC） 一直是众多电机制造商关注的领域，因为这些电机越来越成为许多应用的首选，尤其是在电机控制技术领域。BLDC 电机在许多方面都优于有刷直流电机，例如高速运行、高效率和更好的散热能力。

它们是现代驱动技术不可或缺的一部分，最常用于驱动驱动器、机床、电力推进、机器人、计算机外围设备以及发电。随着除数字控制之外的无传感器技术的发展，这些电机在总系统成本、尺寸和可靠性方面变得如此有效。

什么是无刷直流电机（BLDC）？

无刷直流电机（称为 BLDC）是一种由直流 （DC） 电力驱动的永磁同步电动机，它完成电子控制换向系统（换向是通过在适当时间改变通过它的相电流在电机中产生旋转转矩的过程）而不是机械换向系统。BLDC 电机也称为梯形永磁电机。

与传统的有刷式直流电机不同，其中电刷与转子上的换向器进行机械接触，从而在直流电源和转子电枢绕组之间形成电路径，BLDC 电机采用带有永磁转子的电气换向和带有一系列线圈的定子。在该电机中，永磁体（或磁场极）旋转并且载流导体固定。

电枢线圈由晶体管或硅控整流器在正确的转子位置进行电子切换，使电枢场与转子磁场极点处于空间正交状态。因此，作用在转子上的力使其旋转。霍尔传感器或旋转编码器最常用于感测转子的位置，并位于定子周围。来自传感器的转子位置反馈有助于确定何时切换电枢电流。

这种电子换向布置消除了直流电机中的换向器布置和电刷，因此实现了更可靠和更少的噪音运行。由于没有电刷，BLDC电机能够高速运行。BLDC 电机的效率通常为 85% 至 90%，而有刷直流电机的效率为 75% 至 80%。BLDC 电机种类繁多，从小功率范围到分数马力、积分马力和大功率范围。

无刷直流电机的构造

BLDC 电机可以采用不同的物理配置。根据定子绕组的不同，这些绕组可以配置为单相、两相或三相电机。然而，最常用的是带有永磁转子的三相 BLDC 电机。

该电机的结构与三相感应电动机以及常规直流电动机有许多相似之处。与所有其他电机一样，该电机具有定子和转子部件。

电机的定子 ，由堆叠的钢层压组成，用于承载绕组。这些绕组放置在沿定子内周轴向切割的槽中。这些绕组可以排列在星形或三角形中。但是，大多数 BLDC 电机都有三相星形连接定子。

每个绕组都由许多互连的线圈构成，其中一个或多个线圈放置在每个插槽中。为了形成偶数个极，这些绕组中的每一个都分布在定子外围。

必须根据电源能力选择具有正确额定电压的定子。对于机器人、汽车和小型致动应用，48 V 或更低电压的 BLDC 电机是首选。对于工业应用和自动化系统，使用 100 V 或更高额定值的电机。

转子

BLDC 电机在转子中集成了永磁体。转子中的极数可以从 2 到 8 对极不等，根据应用要求交替使用南极和北极。为了在电机中实现最大扭矩，材料的磁通密度应很高。转子需要适当的磁性材料来产生所需的磁场密度。

铁氧体磁体价格低廉，但是对于给定体积，它们的磁通量密度较低。稀土合金磁铁通常用于新设计。其中一些合金是钐钴（SmCo），钕（Nd）和铁氧体和硼（NdFeB）。转子可以采用不同的磁芯配置构造，例如外围带有永磁体的圆形磁芯，带有矩形磁铁的圆形磁芯等。

霍尔传感器

霍尔传感器提供使定子电枢励磁与转子位置同步的信息。由于 BLDC 电机的换向是电子控制的，因此定子绕组应按顺序通电，以便使电机旋转。在为特定定子绕组通电之前，必须确认转子位置。因此，嵌入在定子中的霍尔效应传感器可以感应转子位置。

大多数 BLDC 电机都包含三个嵌入到定子中的霍尔传感器。每当转子极靠近它时，每个传感器都会产生低信号和高信号。定子绕组的确切换向顺序可以根据这三个传感器的响应组合来确定。

无刷直流电机的工作原理和工作原理

BLDC电机的工作原理类似于传统直流电机，即洛伦兹力定律，该定律指出，每当载流导体放置在磁场中时，它都会受到力的影响。由于反作用力，磁体将承受相等且相反的力。如果是 BLDC 电机，载流导体在永磁体移动时是静止的。

当定子线圈由电源进行电开关时，它变成电磁铁并开始在气隙中产生均匀的磁场。虽然电源是直流电源，但开关会产生梯形的交流电压波形。由于电磁铁定子和永磁转子之间的相互作用力，转子继续旋转。

考虑下图，其中电机定子根据不同的开关状态被激励。随着绕组作为高低信号的切换，相应的绕组通电为北极和南极。具有北极和南极的永磁转子与定子极对齐，导致电机旋转。

观察到电机产生扭矩是由于吸引力（南北或南北对齐时）和排斥力（当北向或南南对齐时）的发展。通过这种方式，电机沿顺时针方向移动。

在这里，人们可能会问，我们如何知道哪个定子线圈应该通电以及何时通电。这是因为;电机的连续旋转取决于线圈周围的开关顺序。如上所述，霍尔传感器向电子控制器单元提供轴位置反馈。

根据来自传感器的该信号，控制器决定要通电的特定线圈。每当转子极靠近霍尔效应传感器时，霍尔效应传感器就会产生低电平和高电平信号。这些信号决定了轴的位置。

无刷直流电机驱动

如上所述，电子控制器电路通过转动晶体管或其它固态开关来使电机连续旋转来激励适当的电机绕组。下图显示了简单的 BLDC 电机驱动电路，该电路由 MOSFET 电桥（也称为逆变桥）、电子控制器、霍尔效应传感器和 BLDC 电机组成。

在这里，霍尔效应传感器用于位置和速度反馈。电子控制器可以是微控制器单元或微处理器或DSP处理器或FPGA单元或任何其他控制器。该控制器接收这些信号，对其进行处理并将控制信号发送到MOSFET驱动器电路。

除了切换电机的额定速度外，还根据所需的应用更改电机速度的附加电子电路。这些速度控制单元通常与PID控制器一起实现，以进行精确控制。还可以从电机产生四象限操作，同时使用现代驱动器在整个速度变化中保持良好的效率。

无刷直流电机的优势

与传统直流电机相比，BLDC 电机有几个优点，其中一些是

它没有机械换向器和相关问题

使用永磁转子，效率高

即使在装载和卸载条件下也能高速运行，因为没有限制速度的电刷

电机几何形状更小，重量比有刷直流和感应交流电机更轻

使用寿命长，换向器系统无需检查和维护

由于定子中的低惯性和承载绕组，动态响应更高

减少电磁干扰

由于没有刷子，操作相当（或噪音低）

无刷电机的缺点

这些电机价格昂贵

电子控制器需要控制这种电机很贵

许多集成电子控制解决方案的可用性不高，尤其是对于微型 BLDC 电机

需要复杂的驱动电路

需要额外的传感器

无刷直流电机的应用

无刷直流电机 （BLDC） 用于各种应用要求，例如工业控制、汽车、航空、自动化系统、医疗保健设备等领域的变化负载、恒定负载和定位应用。BLDC电机的一些具体应用是

计算机硬盘驱动器和DVD / CD播放器

电动汽车、混合动力汽车和电动自行车

工业机器人、数控机床和简单的皮带驱动系统

洗衣机、压缩机和烘干机

风扇、泵和鼓风机