什么是無刷直流電機（BLDC）？無刷直流電機的優(yōu)勢有哪些？

無刷直流電機（BLDC）一直是眾多電機制造商關(guān)注的領(lǐng)域，因為這些電機越來越成為許多應(yīng)用的首選，尤其是在電機控制技術(shù)領(lǐng)域。BLDC 電機在許多方面都優(yōu)于有刷直流電機，例如高速運行、高效率和更好的散熱能力。

它們是現(xiàn)代驅(qū)動技術(shù)不可或缺的一部分，最常用于驅(qū)動驅(qū)動器、機床、電力推進、機器人、計算機外圍設(shè)備以及發(fā)電。隨著除數(shù)字控制之外的無傳感器技術(shù)的發(fā)展，這些電機在總系統(tǒng)成本、尺寸和可靠性方面變得如此有效。

什么是無刷直流電機（BLDC）？

無刷直流電機（稱為 BLDC）是一種由直流（DC）電力驅(qū)動的永磁同步電動機，它完成電子控制換向系統(tǒng)（換向是通過在適當(dāng)時間改變通過它的相電流在電機中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的過程）而不是機械換向系統(tǒng)。BLDC 電機也稱為梯形永磁電機。

與傳統(tǒng)的有刷式直流電機不同，其中電刷與轉(zhuǎn)子上的換向器進行機械接觸，從而在直流電源和轉(zhuǎn)子電樞繞組之間形成電路徑，BLDC 電機采用帶有永磁轉(zhuǎn)子的電氣換向和帶有一系列線圈的定子。在該電機中，永磁體（或磁場極）旋轉(zhuǎn)并且載流導(dǎo)體固定。

電樞線圈由晶體管或硅控整流器在正確的轉(zhuǎn)子位置進行電子切換，使電樞場與轉(zhuǎn)子磁場極點處于空間正交狀態(tài)。因此，作用在轉(zhuǎn)子上的力使其旋轉(zhuǎn)。霍爾傳感器或旋轉(zhuǎn)編碼器最常用于感測轉(zhuǎn)子的位置，并位于定子周圍。來自傳感器的轉(zhuǎn)子位置反饋有助于確定何時切換電樞電流。

這種電子換向布置消除了直流電機中的換向器布置和電刷，因此實現(xiàn)了更可靠和更少的噪音運行。由于沒有電刷，BLDC電機能夠高速運行。BLDC 電機的效率通常為 85% 至 90%，而有刷直流電機的效率為 75% 至 80%。BLDC 電機種類繁多，從小功率范圍到分數(shù)馬力、積分馬力和大功率范圍。

無刷直流電機的構(gòu)造

BLDC 電機可以采用不同的物理配置。根據(jù)定子繞組的不同，這些繞組可以配置為單相、兩相或三相電機。然而，最常用的是帶有永磁轉(zhuǎn)子的三相 BLDC 電機。

該電機的結(jié)構(gòu)與三相感應(yīng)電動機以及常規(guī)直流電動機有許多相似之處。與所有其他電機一樣，該電機具有定子和轉(zhuǎn)子部件。

電機的定子 ，由堆疊的鋼層壓組成，用于承載繞組。這些繞組放置在沿定子內(nèi)周軸向切割的槽中。這些繞組可以排列在星形或三角形中。但是，大多數(shù) BLDC 電機都有三相星形連接定子。

每個繞組都由許多互連的線圈構(gòu)成，其中一個或多個線圈放置在每個插槽中。為了形成偶數(shù)個極，這些繞組中的每一個都分布在定子外圍。

必須根據(jù)電源能力選擇具有正確額定電壓的定子。對于機器人、汽車和小型致動應(yīng)用，48 V 或更低電壓的 BLDC 電機是首選。對于工業(yè)應(yīng)用和自動化系統(tǒng)，使用 100 V 或更高額定值的電機。

轉(zhuǎn)子

BLDC 電機在轉(zhuǎn)子中集成了永磁體。轉(zhuǎn)子中的極數(shù)可以從 2 到 8 對極不等，根據(jù)應(yīng)用要求交替使用南極和北極。為了在電機中實現(xiàn)最大扭矩，材料的磁通密度應(yīng)很高。轉(zhuǎn)子需要適當(dāng)?shù)拇判圆牧蟻懋a(chǎn)生所需的磁場密度。

鐵氧體磁體價格低廉，但是對于給定體積，它們的磁通量密度較低。稀土合金磁鐵通常用于新設(shè)計。其中一些合金是釤鈷（SmCo），釹（Nd）和鐵氧體和硼（NdFeB）。轉(zhuǎn)子可以采用不同的磁芯配置構(gòu)造，例如外圍帶有永磁體的圓形磁芯，帶有矩形磁鐵的圓形磁芯等。

霍爾傳感器

霍爾傳感器提供使定子電樞勵磁與轉(zhuǎn)子位置同步的信息。由于 BLDC 電機的換向是電子控制的，因此定子繞組應(yīng)按順序通電，以便使電機旋轉(zhuǎn)。在為特定定子繞組通電之前，必須確認轉(zhuǎn)子位置。因此，嵌入在定子中的霍爾效應(yīng)傳感器可以感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置。

大多數(shù) BLDC 電機都包含三個嵌入到定子中的霍爾傳感器。每當(dāng)轉(zhuǎn)子極靠近它時，每個傳感器都會產(chǎn)生低信號和高信號。定子繞組的確切換向順序可以根據(jù)這三個傳感器的響應(yīng)組合來確定。

無刷直流電機的工作原理和工作原理

BLDC電機的工作原理類似于傳統(tǒng)直流電機，即洛倫茲力定律，該定律指出，每當(dāng)載流導(dǎo)體放置在磁場中時，它都會受到力的影響。由于反作用力，磁體將承受相等且相反的力。如果是 BLDC 電機，載流導(dǎo)體在永磁體移動時是靜止的。

當(dāng)定子線圈由電源進行電開關(guān)時，它變成電磁鐵并開始在氣隙中產(chǎn)生均勻的磁場。雖然電源是直流電源，但開關(guān)會產(chǎn)生梯形的交流電壓波形。由于電磁鐵定子和永磁轉(zhuǎn)子之間的相互作用力，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

考慮下圖，其中電機定子根據(jù)不同的開關(guān)狀態(tài)被激勵。隨著繞組作為高低信號的切換，相應(yīng)的繞組通電為北極和南極。具有北極和南極的永磁轉(zhuǎn)子與定子極對齊，導(dǎo)致電機旋轉(zhuǎn)。

觀察到電機產(chǎn)生扭矩是由于吸引力（南北或南北對齊時）和排斥力（當(dāng)北向或南南對齊時）的發(fā)展。通過這種方式，電機沿順時針方向移動。

在這里，人們可能會問，我們?nèi)绾沃滥膫€定子線圈應(yīng)該通電以及何時通電。這是因為;電機的連續(xù)旋轉(zhuǎn)取決于線圈周圍的開關(guān)順序。如上所述，霍爾傳感器向電子控制器單元提供軸位置反饋。

根據(jù)來自傳感器的該信號，控制器決定要通電的特定線圈。每當(dāng)轉(zhuǎn)子極靠近霍爾效應(yīng)傳感器時，霍爾效應(yīng)傳感器就會產(chǎn)生低電平和高電平信號。這些信號決定了軸的位置。

無刷直流電機驅(qū)動

如上所述，電子控制器電路通過轉(zhuǎn)動晶體管或其它固態(tài)開關(guān)來使電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)來激勵適當(dāng)?shù)碾姍C繞組。下圖顯示了簡單的 BLDC 電機驅(qū)動電路，該電路由 MOSFET 電橋（也稱為逆變橋）、電子控制器、霍爾效應(yīng)傳感器和 BLDC 電機組成。

在這里，霍爾效應(yīng)傳感器用于位置和速度反饋。電子控制器可以是微控制器單元或微處理器或DSP 處理器或FPGA單元或任何其他控制器。該控制器接收這些信號，對其進行處理并將控制信號發(fā)送到MOSFET驅(qū)動器電路。