淺談無刷電機(jī)構(gòu)成及工作原理

無刷電機(jī)

無刷直流電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動機(jī)的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能級的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無刷電動機(jī)的體積比同容量三相異步電動機(jī)縮小了一個機(jī)座號。

工作原理

無刷直流電動機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動化辦公設(shè)備中。

無刷直流電動機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換）。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。 ［2］

位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，其磁敏傳感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路等）裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件（例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等），當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號（其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化）。

結(jié)構(gòu)解析

結(jié)構(gòu)上，無刷電機(jī)和有刷電機(jī)有相似之處，也有轉(zhuǎn)子和定子，只不過和有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)相反；有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是線圈繞組，和動力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼；無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機(jī)用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電機(jī)（Brushless motor），那現(xiàn)在就有問題了，沒有了電磁場的變換，如何讓無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動呢？

簡單而言，依靠改變輸入到無刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成一個繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動，電機(jī)就轉(zhuǎn)起來了，電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系，因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟?，電流需要電子調(diào)速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。 總的來說，無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)是比較簡單的，真正決定其使用性能的還是無刷電子調(diào)速器，好的電子調(diào)速器需要有單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、復(fù)雜加工工藝等過程的總體控制，所以價格要比有刷電機(jī)高出很多。 ［1］

相關(guān)對比

有刷電機(jī)缺點(diǎn)

（1）摩擦大，損耗大

老模友們在以前玩有刷電機(jī)的時候都碰到這個問題，那就是使用電機(jī)一段時間以后，需要打開電機(jī)來清理電機(jī)的碳刷，費(fèi)時費(fèi)力，維護(hù)強(qiáng)度不亞于來一次家庭大掃除。

（2）發(fā)熱大，壽命短

由于有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機(jī)整體電阻較大，容易發(fā)熱，而永磁體是熱敏元件，如果溫度太高的話，磁鋼是會退磁的，使電機(jī)性能下降，影響有刷電機(jī)的壽命。

（3）效率低，輸出功率小

上面說到的有刷電機(jī)發(fā)熱問題，很大程度是因?yàn)殡娏髯龉υ陔姍C(jī)內(nèi)部電阻上了，所以電能有很大程度轉(zhuǎn)化為了熱能，所以有刷電機(jī)的輸出功率不大，效率也不高。

無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

（1）無電刷、低干擾

無刷電機(jī)去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。

（2）噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢

無刷電機(jī)沒有了電刷，運(yùn)轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小，運(yùn)行順暢，噪音會低許多，這個優(yōu)點(diǎn)對于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個巨大的支持。

（3）壽命長，低維護(hù)成本

少了電刷，無刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了，從機(jī)械角度看，無刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動機(jī)了，必要的時候，只需做一些除塵維護(hù)即可。上下一比較，就知道無刷電機(jī)相對于有刷電機(jī)的優(yōu)勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，有刷電機(jī)低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點(diǎn)是無刷電機(jī)不可替代的，不過就無刷電機(jī)的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場競爭，無刷動力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進(jìn)了模型運(yùn)動的發(fā)展。

其他區(qū)別

（1）適用范圍：

無刷電機(jī)：通常被使用在控制要求比較高，轉(zhuǎn)速比較高的設(shè)備上，如航模，精密儀器儀表等對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制嚴(yán)格，轉(zhuǎn)速達(dá)到很高的設(shè)備上。

碳刷電機(jī)：通常動力設(shè)備使用的都是有刷電機(jī)，如吹風(fēng)機(jī)、工廠的電動機(jī)、家用的抽油煙機(jī)等等，另外串激電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能達(dá)到很高，但是由于碳刷的磨損，使用壽命不如無刷電機(jī)。

（2）使用壽命：

無刷電機(jī)：通常使用壽命在幾萬小時這個數(shù)量級，但是由于軸承的不同無刷電機(jī)使用壽命也有很大不同。

碳刷電機(jī)：通常有刷電機(jī)的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個小時，到達(dá)使用極限就需要更換碳刷，不然很容易造成軸承的磨損。

（3）使用效果：

無刷電機(jī)：通常是數(shù)字變頻控制，可控性強(qiáng)，從每分鐘幾轉(zhuǎn)，到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實(shí)現(xiàn)。

碳刷電機(jī)：舊碳刷電機(jī)一般啟動以后工作轉(zhuǎn)速恒定，調(diào)速不是很容易，串激電機(jī)也能達(dá)到20000轉(zhuǎn)/分，但是使用壽命會比較短。

（4）節(jié)能方面：

相對而言，無刷電機(jī)采用變頻技術(shù)控制的會比串激電機(jī)節(jié)能很多，最典型的就是變頻空調(diào)和冰箱。

（5）日后維修方面：

碳刷電機(jī)需要更換碳刷，如果更換不及時會造成電機(jī)的損壞，而無刷電機(jī)，使用壽命很長，通常是有刷電機(jī)的10倍以上，但是壞了就需要更換電機(jī)，但日常維護(hù)基本不需要。

（6）噪音方面與是否是有刷電機(jī)無關(guān)，主要是看軸承和電機(jī)內(nèi)部組件的配合情況。

（7）模型無刷電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，除了外形尺寸（外徑、長度、軸徑等）、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外，還少不了一個重要指標(biāo)KV值，這個數(shù)值是無刷電機(jī)獨(dú)有的一個性能參數(shù)，是判斷無刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個重要數(shù)據(jù)。

直流電機(jī)主要有直流有刷電機(jī)和無刷直流電機(jī)兩種，特別是無刷直流電機(jī)以其出色的工作特性在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中應(yīng)用廣泛，本文對無刷直流電機(jī)構(gòu)成及工作原理進(jìn)行介紹。

一無刷直流電機(jī)簡介

無刷直流電機(jī)（BLDC）以電子換向器取代了機(jī)械換向器，所以無刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點(diǎn)，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1、無刷直流電機(jī)模型

無刷直流電機(jī)主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器（可有可無）組成。可見，它和直流電機(jī)有著很多共同點(diǎn)，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多（原來的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ樱?，繞組的連線也基本相同。但是，結(jié)構(gòu)上它們有一個明顯的區(qū)別：無刷直流電機(jī)沒有直流電機(jī)中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機(jī)結(jié)構(gòu)就相對簡單，降低了電機(jī)的制造和維護(hù)成本，但無刷直流電機(jī)不能自動換向（相），犧牲的代價是電機(jī)控制器成本的提高（如同樣是三相直流電機(jī)，有刷直流電機(jī)的驅(qū)動橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機(jī)的驅(qū)動橋則需要 6 只功率管）。

圖1所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對極的無刷直流電機(jī)，它的定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外。另一種無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和這種剛剛相反，它的定子在外，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，即定子是線圈繞組組成的機(jī)座，而轉(zhuǎn)子用永磁材料制造。

無刷直流電機(jī)有以下的特點(diǎn)：

● 無刷直流電機(jī)的外特性好，能夠在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩，使得它可以提供大的起動轉(zhuǎn)矩；

● 無刷直流電機(jī)的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運(yùn)行；

● 無刷直流電機(jī)的效率高、過載能力強(qiáng)，使得它在拖動系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn)；

● 無刷直流電機(jī)的再生制動效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動時電機(jī)可以進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)；

● 無刷直流電機(jī)的體積小，功率密度高；

● 無刷直流電機(jī)無機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可靠性高；

● 無刷直流電機(jī)比異步電機(jī)的驅(qū)動控制簡單。

二無刷直流電機(jī)的工作原理

無刷直流電機(jī)的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機(jī)通以固定的直流電流，則電機(jī)只能產(chǎn)生不變的磁場，電機(jī)不能轉(zhuǎn)動起來，只有實(shí)時檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的不同相通以對應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動起來。

如圖2所示為無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理示意圖，為了方便描述，電機(jī)定子的線圈中心抽頭接電機(jī)電源 POWER，各相的端點(diǎn)接功率管，位置傳感器導(dǎo)通時使功率管的 G極接 12V，功率管導(dǎo)通，對應(yīng)的相線圈被通電。由于三個位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，會依次導(dǎo)通，使得對應(yīng)的相線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場方向也不斷地變化，電機(jī)轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動起來，這就是無刷直流電機(jī)的基本轉(zhuǎn)動原理——檢測轉(zhuǎn)子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場的方向連續(xù)均勻地變化。

圖2：無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動原理示意圖

三無刷直流電機(jī)的驅(qū)動方法

無刷直機(jī)電機(jī)的驅(qū)動方式按不同類別可分多種驅(qū)動方式，它們各有特點(diǎn)。

按驅(qū)動波形：

● 方波驅(qū)動，這種驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)方便，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)無位置傳感器控制；

● 正弦驅(qū)動，這種驅(qū)動方式可以改善電機(jī)運(yùn)行效果，使輸出力矩均勻，但實(shí)現(xiàn)過程相對復(fù)雜。同時，這種方法又有SPWM 和SVPWM（空間矢量PWM）兩種方式，SVPWM的效果好于SPWM。