電氣設(shè)備通常具有至少一個(gè)電機(jī)，用于將物體從其初始位置旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)。市場上有多種電機(jī)類型可供選擇，包括感應(yīng)電機(jī)、伺服電機(jī)、直流電機(jī)（有刷和無刷）等。根據(jù)應(yīng)用要求，可以選擇特定的電機(jī)。然而，當(dāng)前的趨勢是大多數(shù)新設(shè)計(jì)正在轉(zhuǎn)向無刷直流電機(jī)，即俗稱的 BLDC 電機(jī)。

本文將重點(diǎn)介紹 BLDC 電機(jī)設(shè)計(jì)的以下方面：

BLDC 電機(jī)的構(gòu)造

BLDC 電機(jī)的操作

扭矩和效率要求

與感應(yīng)和有刷直流電機(jī)的比較

BLDC 電機(jī)的選擇標(biāo)準(zhǔn)

電機(jī)控制——速度、位置和扭矩，將在本文的第二部分中介紹。

建造BLDC 電機(jī)在結(jié)構(gòu)和工作原理方面分別與交流感應(yīng)電機(jī)和有刷直流電機(jī)有許多相似之處。與所有其他電機(jī)一樣，BLDC 電機(jī)也有轉(zhuǎn)子和定子。

定子

與感應(yīng)交流電機(jī)類似，BLDC 電機(jī)定子由疊層鋼制成，??堆疊起來承載繞組。定子中的繞組可以有兩種排列方式；即星形圖案（Y）或三角形圖案（Δ）。兩種模式之間的主要區(qū)別在于，Y 模式在低轉(zhuǎn)速時(shí)提供高扭矩，而 Δ 模式在低轉(zhuǎn)速時(shí)提供低扭矩。這是因?yàn)樵?Δ 配置中，一半的電壓施加在未驅(qū)動(dòng)的繞組上，從而增加了損耗，進(jìn)而增加了效率和扭矩。

定子中的鋼疊片可以是有槽的或無槽的，如圖 2 所示。無槽鐵芯具有較低的電感，因此它可以以非常高的速度運(yùn)行。由于疊片組中沒有齒，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的要求也降低了，因此也使其成為低速的理想選擇（當(dāng)轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子上的齒相互對(duì)齊時(shí)，因?yàn)閮烧咧g的相互作用，會(huì)產(chǎn)生不希望的齒槽轉(zhuǎn)矩并導(dǎo)致速度波動(dòng)）。無槽鐵芯的主要缺點(diǎn)是成本較高，因?yàn)樗枰嗬@組來補(bǔ)償較大的氣隙。

正確選擇用于構(gòu)造定子的疊層鋼和繞組對(duì)電機(jī)性能至關(guān)重要。選擇不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過程中出現(xiàn)多個(gè)問題，從而導(dǎo)致市場延遲和設(shè)計(jì)成本增加。

轉(zhuǎn)子

典型 BLDC 電機(jī)的轉(zhuǎn)子由永磁體制成。根據(jù)應(yīng)用要求，轉(zhuǎn)子中的極數(shù)可能會(huì)有所不同。增加極數(shù)確實(shí)會(huì)提供更好的扭矩，但代價(jià)是降低最大可能速度。

另一個(gè)影響最大扭矩的轉(zhuǎn)子參數(shù)是用于制造永磁體的材料。材料的磁通密度越高，扭矩就越高。

工作原理及操作

BLDC 電機(jī)工作的基本原理與有刷直流電機(jī)相同；即內(nèi)部軸位置反饋。在有刷直流電機(jī)的情況下，使用機(jī)械換向器和電刷實(shí)現(xiàn)反饋。借助內(nèi)置 BLDC 電機(jī)，可使用多個(gè)反饋傳感器來實(shí)現(xiàn)。最常用的傳感器是霍爾傳感器和光學(xué)編碼器。注意：霍爾傳感器根據(jù)霍爾效應(yīng)原理工作，即當(dāng)載流導(dǎo)體暴露在磁場中時(shí)，電荷載流子會(huì)受到基于導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生的電壓的力。

如果磁場方向反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電壓也會(huì)反轉(zhuǎn)。對(duì)于 BLDC 電機(jī)中使用的霍爾效應(yīng)傳感器，每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極（N 或 S）經(jīng)過霍爾傳感器附近時(shí)，它們都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高或低電平信號(hào)，該信號(hào)可用于確定軸的位置。

在換向系統(tǒng)中——基于使用反饋傳感器識(shí)別的電機(jī)位置的換向系統(tǒng)——三個(gè)電氣繞組中的兩個(gè)一次通電，如圖 4 所示。

在圖 4 （A） 中，標(biāo)記為“001”的綠色繞組通電為北極，標(biāo)記為“010”的藍(lán)色繞組通電為南極。由于這種激勵(lì)，轉(zhuǎn)子的南極與綠色繞組對(duì)齊，而北極與標(biāo)記為“100”的紅色繞組對(duì)齊。為了移動(dòng)轉(zhuǎn)子，“紅色”和“藍(lán)色”繞組沿圖 4（B） 所示的方向通電。這導(dǎo)致紅色繞組成為北極而藍(lán)色繞組成為南極。由于排斥力（紅色繞組 - 北 - 北對(duì)齊）和吸引力（藍(lán)色繞組 - 北 - 南對(duì)齊）的發(fā)展，定子中磁場的這種移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生扭矩，從而使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向移動(dòng)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子開始移動(dòng)時(shí)，該扭矩達(dá)到最大值，但隨著兩個(gè)磁場相互對(duì)齊，扭矩會(huì)減小。因此，為了保持扭矩或建立旋轉(zhuǎn)，定子產(chǎn)生的磁場應(yīng)該不斷切換。為了趕上定子產(chǎn)生的磁場，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由于定子和轉(zhuǎn)子的磁場都以相同的頻率旋轉(zhuǎn)，因此它們屬于同步電動(dòng)機(jī)的范疇。

定子的這種切換以建立旋轉(zhuǎn)稱為換向。對(duì)于三相繞組，換相有 6 個(gè)步驟；即，6 種獨(dú)特的組合，其中電機(jī)繞組將通電。

本文第二部分將討論用于實(shí)現(xiàn) BLDC 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和波形。

扭矩和效率

對(duì)于電動(dòng)機(jī)的研究，扭矩是一個(gè)非常重要的術(shù)語。根據(jù)定義，扭矩是力使物體繞其軸旋轉(zhuǎn)的趨勢。

因此，為了增加扭矩，要么必須增加力——這需要更強(qiáng)的磁鐵或更大的電流——要么必須增加距離——這需要更大的磁鐵。效率對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了消耗的電量。效率更高的電機(jī)也將需要更少的材料來產(chǎn)生所需的扭矩。

在哪里，

了解了上面提供的方程式后，了解速度與扭矩曲線變得很重要。

以下是圖 5 所示圖表的要點(diǎn)：

隨著速度的增加，扭矩減小（考慮到輸入功率是恒定的）。

當(dāng)速度為“空載”速度的一半且扭矩為失速扭矩的一半時(shí)，可以提供最大功率。

應(yīng)用

單速- 對(duì)于單速應(yīng)用，感應(yīng)電機(jī)更適合，但如果必須隨著負(fù)載的變化保持速度，那么由于 BLDC 電機(jī)的速度-轉(zhuǎn)矩曲線平坦，BLDC 電機(jī)非常適合此類應(yīng)用程序。

可調(diào)速- BLDC 電機(jī)更適合此類應(yīng)用，因?yàn)樽兯俑袘?yīng)電機(jī)還需要額外的控制器，從而增加系統(tǒng)成本。由于定期維護(hù)，有刷直流電機(jī)也將成為更昂貴的解決方案。

位置控制– 不需要像電磁爐這樣的應(yīng)用程序進(jìn)行精確控制，而且維護(hù)成本低；BLDC 電機(jī)在這里也是贏家。然而，對(duì)于此類應(yīng)用，BLDC 電機(jī)使用光學(xué)編碼器，并且需要復(fù)雜的控制器來監(jiān)控扭矩、速度和位置。

低噪聲應(yīng)用——有刷直流電機(jī)以產(chǎn)生更多 EMI 噪聲而聞名，因此 BLDC 更適合，但對(duì) BLDC 電機(jī)的控制要求也會(huì)產(chǎn)生 EMI 和可聽噪聲。然而，這可以通過使用磁場定向控制 （FOC） 正弦 BLDC 電機(jī)控制來解決。