無刷直流電機驅(qū)動第 1部分：結構和工作原理

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

本文將重點介紹 BLDC 電機設計的以下方面：

· BLDC 電機的構造

· BLDC 電機的操作

· 扭矩和效率要求

· 與感應和有刷直流電機的比較

· BLDC 電機的選擇標準

· 電機控制——速度、位置和扭矩，將在本文的第二部分中介紹。

建造

BLDC 電機在結構和工作原理方面分別與交流感應電機和有刷直流電機有許多相似之處。與所有其他電機一樣，BLDC 電機也有轉(zhuǎn)子和定子。

定子

與感應交流電機類似，BLDC 電機定子由疊層鋼制成，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)速時提供高扭矩，而 Δ 模式在低轉(zhuǎn)速時提供低扭矩。這是因為在 Δ 配置中，一半的電壓施加在未驅(qū)動的繞組上，從而增加了損耗，進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。無槽鐵芯具有較低的電感，因此它可以以非常高的速度運行。由于疊片組中沒有齒，對齒槽轉(zhuǎn)矩的要求也降低了，因此也使其成為低速的理想選擇(當轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子上的齒相互對齊時，因為兩者之間的相互作用，會產(chǎn)生不希望的齒槽轉(zhuǎn)矩并導致速度波動)。無槽鐵芯的主要缺點是成本較高，因為它需要更多繞組來補償較大的氣隙。

正確選擇用于構造定子的疊層鋼和繞組對電機性能至關重要。選擇不當可能會導致生產(chǎn)過程中出現(xiàn)多個問題，從而導致市場延遲和設計成本增加。

轉(zhuǎn)子

典型 BLDC 電機的轉(zhuǎn)子由永磁體制成。根據(jù)應用要求，轉(zhuǎn)子中的極數(shù)可能會有所不同。增加極數(shù)確實會提供更好的扭矩，但代價是降低最大可能速度。

另一個影響最大扭矩的轉(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 電機工作的基本原理與有刷直流電機相同;即內(nèi)部軸位置反饋。在有刷直流電機的情況下，使用機械換向器和電刷實現(xiàn)反饋。借助內(nèi)置 BLDC 電機，可使用多個反饋傳感器來實現(xiàn)。最常用的傳感器是霍爾傳感器和光學編碼器。注意：霍爾傳感器根據(jù)霍爾效應原理工作，即當載流導體暴露在磁場中時，電荷載流子會受到基于導體兩側產(chǎn)生的電壓的力。

如果磁場方向反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電壓也會反轉(zhuǎn)。對于 BLDC 電機中使用的霍爾效應傳感器，每當轉(zhuǎn)子磁極(N 或 S)經(jīng)過霍爾傳感器附近時，它們都會產(chǎn)生一個高或低電平信號，該信號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別的電機位置的換向系統(tǒng)——三個電氣繞組中的兩個一次通電。

當轉(zhuǎn)子開始移動時，該扭矩達到最大值，但隨著兩個磁場相互對齊，扭矩會減小。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機的范疇。

定子的這種切換以建立旋轉(zhuǎn)稱為換向。對于三相繞組，換相有 6 個步驟;即，6 種獨特的組合，其中電機繞組將通電

應用

單速- 對于單速應用，感應電機更適合，但如果必須隨著負載的變化保持速度，那么由于 BLDC 電機的速度-轉(zhuǎn)矩曲線平坦，BLDC 電機非常適合此類應用程序。

可調(diào)速- BLDC 電機更適合此類應用，因為變速感應電機還需要額外的控制器，從而增加系統(tǒng)成本。由于定期維護，有刷直流電機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用程序進行精確控制，而且維護成本低;BLDC 電機在這里也是贏家。然而，對于此類應用，BLDC 電機使用光學編碼器，并且需要復雜的控制器來監(jiān)控扭矩、速度和位置。

低噪聲應用——有刷直流電機以產(chǎn)生更多 EMI 噪聲而聞名，因此 BLDC 更適合，但 BLDC 電機的控制要求也會產(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 電機控制來解決。