無刷直流電機(jī)的類型和工作原理

一、什么是無刷直流 (BLDC) 電機(jī)？

無刷直流（BLDC）電機(jī)，也被稱為電子換向電機(jī)（ECM或EC電機(jī)）或同步直流電機(jī)，是一種使用直流電（DC）電源的同步電機(jī)。它實(shí)質(zhì)上采用直流電源輸入，并通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，驅(qū)動(dòng)帶有位置反饋的永磁同步電機(jī)。

無刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于日常生活用具、汽車工業(yè)、航空、消費(fèi)電子、醫(yī)學(xué)電子、工業(yè)自動(dòng)化等裝置和儀表中。其高輸出功率、低電噪聲、高可靠性、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、電磁干擾少、更好的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)，使得無刷直流電機(jī)成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中的重要驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

無刷直流（BLDC）電機(jī)以其高效率、長壽命、低噪聲、高可靠性和可控性好等特點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

二、無刷直流電機(jī)的類型

BLDC 電機(jī)有兩種類型：外轉(zhuǎn)子和 內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì) 。雖然它們的工作原理相同，但設(shè)計(jì)的不同主要在于組件的放置。

內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

在內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子位于電機(jī)的中心，定子繞組圍繞轉(zhuǎn)子。由于轉(zhuǎn)子位于鐵芯內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁鐵內(nèi)部不隔熱，熱量容易散發(fā)。由于這個(gè)原因，內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的電機(jī)產(chǎn)生很大的扭矩并得到有效使用。

外轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

在外轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子圍繞位于電機(jī)核心的繞組。轉(zhuǎn)子中的磁鐵將電機(jī)的熱量捕獲在內(nèi)部，并且不允許從電機(jī)散發(fā)。這種設(shè)計(jì)的電機(jī)在較低的額定電流下運(yùn)行，并且具有較低的齒槽轉(zhuǎn)矩。

三、無刷直流電機(jī)的工作原理

無刷直流電機(jī)由電子驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該電子驅(qū)動(dòng)器在定子繞組之間切換電源電壓。轉(zhuǎn)子位置由傳感器（光學(xué)或磁性）監(jiān)控，該傳感器向電子控制器提供信息，并根據(jù)該位置確定要通電的定子繞組。該電子驅(qū)動(dòng)器由通過微處理器操作的晶體管（每相 2 個(gè)）組成。

永磁體產(chǎn)生的磁場與定子繞組中電流感應(yīng)的磁場相互作用，產(chǎn)生機(jī)械扭矩。電子開關(guān)電路或驅(qū)動(dòng)器切換定子的供電電流，以便在相互作用的場之間保持 0 至 90 度的恒定角度?；魻杺鞲衅鞔蠖喟惭b在定子或轉(zhuǎn)子上。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，根據(jù)北極或南極，它會(huì)產(chǎn)生高或低信號。根據(jù)這些信號的組合，定義要通電的繞組。為了保持電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)子移動(dòng)以趕上定子磁場時(shí)，繞組產(chǎn)生的磁場應(yīng)該移動(dòng)位置。

在 4 極、2 相無刷直流電機(jī)中，使用嵌入在定子上的單個(gè)霍爾傳感器。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾傳感器感測位置并根據(jù)磁體的磁極（北極或南極）產(chǎn)生高或低信號?；魻杺鞲衅魍ㄟ^電阻器連接到晶體管。當(dāng)傳感器輸出端出現(xiàn)高壓信號時(shí)，連接到線圈 A 的晶體管開始導(dǎo)通，為電流流動(dòng)提供路徑，從而為線圈 A 通電。電容器開始充電至滿電源電壓。當(dāng)霍爾傳感器檢測到轉(zhuǎn)子極性發(fā)生變化時(shí)，它會(huì)在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)低電壓信號，并且由于晶體管 1 沒有獲得任何電源，因此處于截止?fàn)顟B(tài)。電容器周圍產(chǎn)生的電壓是 Vcc，它是 2 的電源電壓nd晶體管，線圈 B 現(xiàn)在通電，因?yàn)殡娏魍ㄟ^它。

BLDC 電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的固定永磁體和固定電樞，消除了將電流連接到移動(dòng)電樞的問題。轉(zhuǎn)子上的極數(shù)可能比定子或磁阻電動(dòng)機(jī)的極數(shù)還要多。后者可能沒有永磁體，只有在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)的磁極，然后通過定時(shí)定子繞組拉入裝置中。電子控制器取代了有刷直流電機(jī)的電刷/換向器組件，不斷切換繞組的相位以保持電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。該控制器通過使用固態(tài)電路而不是電刷/換向器系統(tǒng)來執(zhí)行比較定時(shí)功率分配。

四、三相無刷直流 (BLDC) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

該電路采用IRS2330 IC作為主驅(qū)動(dòng)器。 IC 引腳連接到外部組件，包括使用 6 個(gè) IGBT 的標(biāo)準(zhǔn) H 橋配置。這種 H 橋配置通過控制流經(jīng)電磁線圈的電流來驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)。

霍爾效應(yīng)傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁體的位置，并向控制電路提供必要的數(shù)據(jù)，以按順序激活定子線圈，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩并產(chǎn)生預(yù)期的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。然而，在將霍爾傳感器信號應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)器 IC 輸入之前，需要利用多個(gè)非門對信號進(jìn)行緩沖。然后，非門的輸出會(huì)與 IC IRS2330 的輸入正確合并。

該電路還包括一個(gè)電流檢測級，用于 BLDC 電機(jī)的過流保護(hù)和控制。此級中的電阻分壓器的尺寸經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)精確的電流感測和控制。

總之，IRS2330 IC 連接到 IGBT 的 H 橋配置和霍爾效應(yīng)傳感器來控制定子線圈；霍爾傳感器信號由非門緩沖，然后發(fā)送至 IC。電路中還存在電流感測級，用于電機(jī)的過流保護(hù)。