今天来好好介绍直流无刷电机
日期：2021-03-12
克服了有刷直流电机的固有缺陷，用电子换向器代替了机械式换向器，使其具备了直流电机良好的调速性能等特点，同时也具有交流电机结构简单，无换向火花，工作可靠，维护方便等优点。无刷直流电机的本质是直流电源的输入，它利用电子逆变器把直流电转换成交流电，并通过转子位置反馈三相交流永磁同步电机。与常规直流电机相比，性能上具有很大的优势，是目前理想的调速电机。
有刷直流电动机的介绍。
在引入无刷直流电动机之前，我们先看一下有刷电动机：
马达具有良好的起动性能和调速性能，其中属于DC马达一类的有刷直流马达，采用机械换向，使其驱动方式简单，其模型图如下。
马达模型图。
直流电动机(带刷电动机)的运行原理图。
电动机主要由永磁材料制成的定子、绕带线圈的转子(电枢)、换向器及电刷等组成。只需将电刷A、B两端接上一定的直流电流，电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，直流电机的转子就不停地工作。
马达有以下缺点。
构造比较复杂，制造成本高；
易受环境(灰尘等)影响，工作可靠性降低；
换向会产生火花，使用范围受到限制；
易损坏，维修费用增加等。
无刷直流电动机的介绍。
在BLDC电机中“BL”的意思是“无刷”，即DC电机(有刷电机)中没有“电刷”。
无刷型直流电机(BLDC)用电子式换向器代替了机械式换向器，因此，无刷型直流电机不仅具有直流电机良好的调速性能等特点，而且还具有交流电机结构简单，无换向火花，工作可靠，维护方便等优点。
图1：无刷直流电动机的模型示意图。
马达工作原理图。
无刷型直流电机主要由转子、带线圈绕组的定子和位置传感器(可有可无)等永磁材料制成。显然，它与直流电机有许多共同之处，定、转子的结构相似(原定、转子变为定)，绕组的连线也大致相同。但两种电机在结构上有明显的不同：无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷，而是采用位置传感器。因此，电机的结构相对简单，降低了电机的制造和维护成本，但不能实现无刷直流电机的自动换向(相)，从而增加了电机控制器的成本(如三相直流电机相同，有刷直流电机的驱动桥需要4个功率管，无刷直流电机的驱动桥需要6个功率管)。
其中一种小功率三相星形联接单副磁对极直流电机，其定子和转子均在外层。无刷直流电机的另一个结构与此相反，它的定子在外边，转子在内侧，即定子是由线圈绕组构成的机座，转子由永磁材料制成。
无刷型直流电动机具有如下特性。
无刷式直流电动机外特性好，能以较低的转速输出较大的转矩，从而能提供较大的启动转矩；
无刷式直流电机具有宽广的速度范围，可在任何速度下全功率运行；
无刷型直流电动机具有率和过载能力，使其在拖动系统中具有优异的性能；
无刷式直流电动机再生制动效果良好，其转子为永磁材料，制动时电机可进入发电机状态；
体积小、功率密度高的无刷直流电机；
采用全封闭结构的无刷直流电机无机械换向器，可防止灰尘进入电机内部，可靠性高；
与感应电机相比，无刷直流电机驱动控制简单。
无刷直流电动机的工作原理。
无刷型直流电机定子为线圈绕组电枢，转子为永磁体。仅给电机通以固定的直流电流，电动机就只能产生恒定的磁场，电动机就不能转动，只有实时检测电动机转子的位置，再根据电机的位置给不同的转子通以相应的电流，使定子产生均匀变化的旋转磁场，电动机才能跟着磁场转动。
无刷直流电机的转动原理如图2所示，为了便于描述，电机定子线圈抽头接电机电源，每相的端点接功率管，位置传感器导通时使功率管G极接12V，功率管导通，对应的相圈通电。因为三个位置传感器随转子转动，会依次导通，所以相应的相线圈也会依次通电，因此定子产生的磁场方向也会不断变化，电机转子也会随之转动，这就是无刷直流电机的基本转动原理——检测转子的位置，然后依次对各个相导电，使定子产生的磁场方向连续、均匀地变化。
无刷直流马达转动原理示意图。
为便于理解，本文将这两种符号统一使用如下图作为模型简介，图A为电机转子与定子位于同一圆心上，图B为不同圆心上，是为了方便解释电机内部磁场。
无刷型直流电动机结构原理图。
电机定子绕组多采用三相对称星形接法，与异步电机非常相似。电机转子上粘有可充磁的永磁体，为检测电机转子的极性，在电机上安装了位置传感器。驱动电路由功率电子器件和集成电路等组成，其功能是：接收电动机的起动、停止、制动信号，以控制电动机的起动、停止和制动；接收位置传感器信号和正反向信号，以控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接收速度指令信号，以控制和调整转速；提供保护和显示等。
电动机具有启动迅速、启动转矩大、从零转速到额定转速均能提供额定转矩的特点，但它的优点也正是它的缺点，因为DC电动机若要在额定负载下产生恒定转矩性能，则电枢磁场和转子磁场必须恒定保持90°，这就需要通过碳刷和整流子来实现。炭刷和整流子在电机转动时会产生火花，碳粉，因而除了造成部件损坏外，还限制了其使用场合。无碳刷和整流子的交流电机，免维护，坚固耐用，但在特性上要达到与直流电机相当的性能，需采用复杂的控制技术才能达到。当今半导体发展迅速，功率元件的切换频率大大提高，从而提高了驱动电机的性能。微处理器的速度也越来越快，它可以把交流电机控制放入一个旋转的两轴直角坐标系统中，恰当地控制交流电机的两轴电流分量，达到与直流电机控制相似且具有相当性能的效果。
除此之外，已经有许多微处理机把控制马达所需的功能放在芯片上，并且越来越小；像模拟/数字转换器(analog-to-digitalconverter,adc)，脉宽调制器(pulsewidemodulator,pwm)等等。DC无刷电机即是用电子方式控制交流电机换相，获得类似DC的特性而又不在DC机构上缺失的一种应用。
无刷直流电动机的驱动方式。
无刷直电机的驱动方式，根据其种类的不同，可以分为多种驱动方式，各有其特点。
按驱动波形：方波驱动，该驱动方式实现方便，易于实现电机的无传感器控制；
正弦传动：该驱动方式可改善电机的运行效果，使输出力矩均匀，但实现过程比较复杂。而SVPWM(空间矢量PWM)与SPWM(空间矢量PWM)相比，SVPWM具有更好的性能。
无刷直流电动机的应用领域。
一，办公电脑周边设备，电子数码消费品领域。
它是无刷直流电机广泛应用，数量多的一个领域。如日常生活中常用的打印机、传真机、复印机、硬盘驱动器、软驱、电影摄影机、磁带记录仪等，其主轴及附属运动的驱动控制均采用了无刷直流电机。
第二部分，工业控制领域。
近年来，随着无刷直流电机大规模研究与开发以及技术的日趋成熟，驱动系统在工业生产中的应用范围不断扩大，并逐渐成为工业电机发展的主流。针对降低生产成本、提高运行效率进行了研究和尝试，取得了显著的效果，各大厂商也提供了不同型号的电机，以满足不同传动系统的需要。无刷直流电机在纺织、冶金、印刷、自动化生产流水线、数控机床等行业中的应用，现阶段已成为主流。
第三类，医疗器械领域。
无刷直流电动机在国外已比较普及，可用于驱动人工心脏中的小型血泵；在也有应用。