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直流无刷电动机

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永磁同步电机/直流无刷电机的工作原理

无刷直流电动机（英语：Brushless DC Motor）或称直流无刷电机或BLDC电机，是没有电刷和換向器的电动机，根据转子永久磁铁位置调整定子电流以产生转矩。虽然是称“直流”电动机，但实际上是一种使用三相电的永磁同步电动机（PMSM）。之所以被称为“无刷直流电机”是因为在许多应用中该电机可以替换有刷直流电机。因此，BLDC电机也被称为EC（电子换向）电机，以便与包含电刷的机械换向电机进行区分[1]。

BLDC电机利用电力电子技术（变频器）输入控制讯号到电动机，以切换直流电的开关和通过的线圈组，而得到力矩使转子转动。但这些控制信号，波形没有限制。方波驱动的称为BLDC，用于位置要求不是很高的场合；正弦波驱动的称PMSM，用于伺服场合[2]。

发展

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早在1917年Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷的想法。1955年，美国D. Harrison等人申请用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。[3]

结构

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BLDC电机的星型连接

较简单的结构是有一枚永久磁铁及至少两组（四个端子）线圈，两组线圈轮流开关。永久磁铁是转子，线圈是定子。当磁铁与线圈成一直线的时候，断开该组线圈，启动下一组线圈。[4]

定子

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参见：定子

BLDC电机的定子与感应电机的定子相似，是由绝缘铸钢叠片组成，可以降低涡流的电流损失。多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组，绕组置于沿内部圆周的轴向冲压槽中。直径小于40mm的电机会采用无齿槽设计：它的定子没有铁芯，铁损大幅减少，因此能效等级更高。[5]

转子

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参见：转子

转子用永磁体制成，转子里是没有线圈的。可有2到8对磁极，南磁极和北磁极交替排列。使用稀土合金磁体可以提高磁通密度，缩小转子体积。永磁体在转子上的安装方式多种多样：表贴式永磁（SPM）将永磁体装在转子铁芯外圆表面，通常见于高功率密度电机；表面嵌入式永磁（SIPM）电机的永磁体放在转子外表面的凹槽中，使得整个转子为圆柱形，提高了机械强度，防止永磁体在高速旋转时飞出；内置式永磁（IPM）转子结构的机械结构可靠，但安装工艺复杂，多用于高速电机。[6]

类型

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BLDC电机有内转子电机和外转子电机两种结构类型。内转子电机的优势在于转子的转动惯量低，散热非常快，在大多数工业应用中广泛使用。外转子电机的定子位于内侧，转子包括一个能够旋转外壳，磁体安装在外壳上，定子发热线圈与环境隔绝，散热相对较慢。由于转子的转动惯量转矩很大且很难控制转子外壳的平衡，所以外转子电机不适用于旋转速度很高的模式。但外转子电机可以拥有更短的结构并通常具备更小的停转转矩，而由于在相同的磁力下，它的转子直径更大，因此其转矩也更大。[7]

以定子绕组中线圈的互连方式分为梯形和正弦电机。采用集中整距绕组时，感应电动势为梯形波，称为永磁无刷直流电机（BLDC）；分布绕组时，永磁转子形成正弦磁场，称为永磁同步电机（PMSM）。新型矢量控制技术已对无刷直流电机使用正弦波控制，使得转矩波动和低速性能均有较大改善。正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑，但因为绕组之间有额外的互连，从而增加了耗铜量。永磁无刷直流电机（梯形波）的功率密度比永磁同步电机（正弦波）大15%[10]。

控制

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参见：变频器

在控制BLDC电机时，一般使用的是逆变器电路[11]，例如脉冲宽度调制（PWM），通过调整脉冲占空比（ON/OFF）改变电压：若ON的比率较高，可以得到和提高电压相同的效果；若ON的比率下降，则可以得到和电压降低相同的效果。另外，BLDC电机的控制是配合着转子（永磁体）的位置（角度）进行的。因此，电机控制还需要获取转子位置。[12]

霍尔传感器

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定子电流I、转矩M与转角α的关系
参见：霍尔传感器

多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器（Hall sensor）。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序。每次换向，都有一个绕组连到控制电源的正极，第二个绕组连到负极，第三个处于失电状态。六步换向定义了给绕组加电的顺序。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。[13]

BLDC的工作原理(三组线圈)块换向组合
1 2 3 4 5 6
V1/V2(U) -1 0 +1 +1 0 -1
V3/V4(V) +1 +1 0 -1 -1 0
V5/V6(W) 0 -1 -1 0 +1 +1

从技术上来说，霍尔传感器和块换向组合是驱动BLDC电机的最简单方法。这种技术的劣势在于，由于切换过程不连续，在块换向中，会产生以此为峰值的转矩波动，其频率为电机电动旋转频率的六倍。这会引发振动和噪音；低速下尤其如此，电机不会始终均匀地旋转[14]。通电的理想形式是正弦换向，永磁同步电动机（PMSM）的每个绕组都由一个120°正弦波供电，从而产生强度恒定并持续旋转的定子磁场。一般来说，对于精密控制合成磁通量的矢量控制，转角传感器（Angle Sensor）或光电编码器等高精度传感器较为有效。[15]

位置检测专用传感器的种类及特征[16]
电机类型 传感器种类 主要用途 特征
BLDC 霍尔效应传感器 梯形波、120度通电控制 每60度获取一次信号，价格较低，不耐热。
PMSM 光电编码器 正弦波控制、矢量控制 分辨率高，但抗震性、防尘能力较弱，成本较高。
转角传感器 正弦波控制、矢量控制 分辨率高，适用于恶劣环境。

无传感器控制

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BLDC电机可以通过监视反电动势信号，而不是霍尔传感器信号来换向。在既定电机磁通量和绕组数固定的情况下，反电动势的幅度与电机的旋转速度成正比。无传感器控制简化了电机结构（不需要附加绕组），节约了成本，但当电机处于静止状态时，无法获得转子位置，因而需要一种特殊的启动方法。当电机在控制模式下运转多个换向周期直到获得一定速度后，无传感器测量便能够确定转子位置。无传感器控制的BLDC电机适合安装在难以检修的位置，或在多灰尘、多油的环境中运行，但不适合需要较低速度的应用，因为此时反电机势很小而难以测量，会造成工作效率不高。[17]

无传感器BLDC电机的控制系统由一个MCU控制芯片加上一个IGBT或MOSFET驱动器组成[18]，外设器件有三相PWM、ADC和用于过流保护的比较器。[19]

电动机标量控制和矢量控制的比较[20]
控制参数 V/Hz控制 矢量控制 无传感器矢量控制
速度调节 1% 0.001% 0.05%
转矩调节 差 ±2% ±5%
电机模型 不要求 要求 要求精确的模型
MCU处理功率 低 高 高+DSP

特性

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BLDC电机的转矩在达到额定值之前都保持不变。电机可达最大转速是额定转速的150%，但从超过额定转速起转矩开始下降。

与传统有刷式直流电动机相比，无刷式较为安全和可靠。碳刷长期使用有碳粉，高温环境下，碳粉可能会爆炸。因此，需要定期清理，同时保养成本较高。但同样的去除电刷需要使用电子技术，不是透过简单改变电压就能控制定子的转动了。[21]

BLDC电机与感应电机比较[22]
特性 BLDC 交流感应电机
转速/转矩特性 特性曲线平坦，在负载额定的条件，可在所有转速下正常工作。 特性曲线非线性，低转速下转矩也低。
输出功率/体积 功率密度高，由于转子采用永磁体，体积较小 功率密度中等，由于定子和转子都有绕组，输出功率与体积之比低于BLDC。
转子惯性 惯性小，动态特性较佳 惯性大，动态特性较差
起动电流 额定值，无需专门的启动电路。 大约是额定值的7倍，应谨慎选择合适的启动电路。通常使用星型-三角形启动器。
控制要求 要保持电机运转，始终需要控制器。还可使用这一控制器控制转速。 固定转速不需要控制器，只有需要改变转速时才需要控制器。
差频 定子和转子磁场的频率相等 转子运行频率低于定子磁场。差频随着电机负载的增大而增加。

应用

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恒定负载

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直流无刷管道风扇。印刷电路板上的两个线圈与风扇组件中的六个圆形永磁体相互作用。

如风扇、泵、吹风机这类应用需要低成本控制器，多数运行在开回路状态。[23]

变化负载

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家用电器中的洗衣机、干衣机、压缩机，汽车上的燃料泵、电子转向、引擎控制，航空航天领域中的离心机、机械臂、陀螺仪控制等可能使用转速反馈设备，运行在半闭环或全闭环状态。这些应用使用高级控制算法，从而增加了控制器的复杂性，提高了整个系统的造价。[24]

定位应用

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机械齿轮或定时传送带等应用中转速和转矩的动态响应很重要，并且可能需要频繁切换转向。可能需要有三个控制环同时工作：转矩控制环、转速控制环和位置控制环。[25]

参见

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参考文献

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  1. ^ 直流无刷电机. Nanotec. [2021-12-04]. （原始内容存档于2021-12-04）. 
  2. ^ 永磁无刷直流电机与永磁同步电机比较和分析. 翡叶动力. [2021-12-05]. （原始内容存档于2021-12-05）. 
  3. ^ 无刷电机的发展历史. 恒驱电机. 2014-06-25 [2021-12-05]. （原始内容存档于2021-05-10）. 
  4. ^ 关于无刷直流马达. Nidec. [2021-12-05]. （原始内容存档于2021-12-05）. 
  5. ^ BLDC电机是什么？其原理及正确用法你知道吗？. 与非网. 2020-07-06 [2021-12-04]. （原始内容存档于2021-12-04）. 
  6. ^ R. Krishnan. 柴凤 , 编. 永磁无刷电机及其驱动技术 1. 北京: 机械工业出版社. 2012-11. ISBN 978-7-111-40054-7. 
  7. ^ 外转子电机和内转子电机的区别. Hon&Guan. 2020-09-05 [2021-12-05]. （原始内容存档于2021-12-05）. 
  8. ^ 什么是力矩电机. ETEL. [2021-12-05]. （原始内容存档于2021-12-05）. 
  9. ^ 无刷直流轮毂电机基本简介. 九洲电机. 2016-04-26 [2021-12-05]. （原始内容存档于2021-12-05）. 
  10. ^ R. Krishnan. Electric Motor Drives. Prentice Hall. 2001 [2021-12-05]. ISBN 978-0130910141. （原始内容存档于2021-12-05）. 
  11. ^ PI发布效率达98.5%的高压BLDC电机驱动器IC产品系列. OFweek工控网. 2018-11-14 [2021-12-06]. （原始内容存档于2021-12-06）. 
  12. ^ 将脉冲宽度调制（PWM）用于无刷直流电机（BLDC）速度控制. 电子工程世界. [2021-12-05]. （原始内容存档于2021-12-05）. 
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  14. ^ Texas Instruments. Trapezoidal Control of BLDC Motors Using Hall Effect Sensors (PDF).  （页面存档备份，存于互联网档案馆） 存档副本 (PDF). [2021-12-05]. 原始内容存档于2021-11-30. 
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  16. ^ Kevin Chow. 想搞BLDC电机控制，就必须要懂的角度传感器. Digi-Key Electronics. 2019-08-19 [2021-12-04]. （原始内容存档于2021-12-04）. 
  17. ^ Steven Keeping. 通过反电动势，控制无传感器 BLDC 电机. 得捷电子. 2013-06-19 [2021-12-05]. （原始内容存档于2021-12-05）. 
  18. ^ 刘梦影; 朱仁龙. 一款32位MCU定时器设计及在无刷直流电机控制中的应用. 电子与封装. 2021, 21 (7) [2021-12-05]. doi:10.16257/j.cnki.1681-1070.2021.0707. （原始内容存档于2021-12-05）. 
  19. ^ Dave Coulson. The Need for Autonomous Peripheral Interoperation in Sensorless BLDC Applications (PDF). Zilog. 2011 [2021-12-05]. （原始内容存档 (PDF)于2021-12-11）. 
  20. ^ BLDC电机控制算法解析. 与非网. 2021-01-08 [2021-12-05]. （原始内容存档于2021-12-05）. 
  21. ^ Brushless DC Motor vs. AC Motor vs. Brushed Motor?. [2021-04-29]. （原始内容存档于2021-12-05）. 
  22. ^ Padmaraja Yedamale. 无刷直流（BLDC）电机基础 (PDF). Microchip Technology Inc. 2007 [2021-12-04]. （原始内容存档 (PDF)于2021-12-11）. 
  23. ^ Chang-liang Xia. Permanent Magnet Brushless DC Motor Drives and Controls. John Wiley and Sons. 2012: 18–19 [2021-12-05]. ISBN 978-1118188361. （原始内容存档于2021-12-05）. 
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  25. ^ Brushless DC Motors Used in Industrial Applications. Ohio Electric Motors. 2012. （原始内容存档于2012-11-04）. 
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