有刷电机及无刷直流电机（BLDC）

有刷电机及无刷直流电机（BLDC）

有刷电机及无刷直流电机（BLDC）

无刷直流电机（BLDC）是永磁式同步电机的一种，而并不是真正的直流电机，英文简称BLDC。区别于有刷直流电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置，采用方波控制的永磁同步电机，以霍尔传感器取代碳刷换向器，以钕铁硼作为转子的永磁材料，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势，是当今最理想的调速电机。

有刷直流电机

有刷电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子（电枢） 、换向器和电刷等构成。只要在电刷的两端通入一定的直流电流，电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用，电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样，直流电机的转子就会持续运转下去。

有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转，电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。

在这个过程中，线圈的两个电源输入端依次排成一个环，相互之间用绝缘材料分隔，组成一个像圆柱体的东西，与电机轴连成一体，电源通过两个碳元素做成的小柱子(碳刷)，在弹簧压力的作用下，从两个特定的固定位置，压在上面线圈电源输入环状圆柱上的两点，给线圈通电。

随着电机转动，不同时刻给不同线圈或同一个线圈的两极通电，使得线圈产生磁场的N-S极与最靠近的永磁铁定子的N-S极有一个适合的角度差，磁场异性相吸、同性相斥，产生力量，推动电机转动。碳电极在线圈接线头上滑动，像刷子在物体表面刷，因此叫碳“刷”。

于相互滑动，会摩擦碳刷，造成损耗，碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁波，干扰电子设备，再者，由于持续的滑动和摩擦，电刷会不断磨损消耗，这也是让有刷电机短命的罪魁祸首。

无刷直流电机

无刷电机结构与有刷电机正好相反，无刷电机中，换相的工作交由控制器中的控制电路（一般为霍尔传感器+控制器，更先进的技术是磁编码器）来完成。BLDC电机中的“BL”意为“无刷”，就是DC电机（有刷电机）中的“电刷”没有了，以电子换向器取代了机械换向器。

无刷电机中，通过霍尔传感器，感知永磁体磁极的位置，再根据这种感知，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。 通过刷电机的控制器，还可以实现一些有刷电机不能实现的功能，比如调整电源切换角，制动电机，使电机反转，锁住电机，利用刹车信号，停止给电机供电。现在电瓶车的电子报警锁，就充分利用了这些功能。

无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构就相对简单，降低了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不能自动换向(相)，牺牲的代价是电机控制器成本的提高(如同样是三相直流电机，有刷直流电机的驱动桥需要4只功率管，而无刷直流电机的驱动桥则需要6只功率管)。

无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来，只有实时检测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来。

电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。
驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

直流无刷电机即以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺陷的一种应用。

有刷电机和无刷电机的区别

1. 两种电机的控制都是调压，只是由于无刷直流采用了电子换向，要有数字控制才可以实现，而有刷直流是通过碳刷换向的，利用可控硅等传统模拟电路都可以控制，比较简单。
2. 有刷电机调速过程是调整供电电源的电压高低，通过整流子及电刷的转换，改变电极产生的磁场强弱，达到改变转速的目的，这一过程被称之为变压调速；无刷电机调速过程则是保持供电电源电压不变，改变电调的控制信号，通过微处理器再改变大功率MOS管的开关速率，来实现转速的改变，这一过程被称之为变频调速。
3. 有刷电机结构简单，起动响应速度快，起动扭矩大，变速平稳，速度从零到最大几乎感觉不到振动，起动时可带动更大的负荷。无刷电机起动电阻大(感抗)，所以功率因素小，起动扭矩相对较小，起动时有嗡嗡声，并伴随着强烈震动，起动时带动负荷较小。
4. 有刷电机是通过变压调速，起动和制动平稳，恒速运行时也平稳。无刷电机是数字变频控制，先将交流变成直流，直流再变成交流，通过频率变化控制转速，在起动和制动时运行不平稳，振动大，只有在速度恒定时才会平稳。
5. 有刷电机通常和减速箱、译码器一起使用，使得电机的输出功率更大，控制精度更高，控制精度可以达到0.01毫米，几乎可以让运动部件停在任何想要的地方。所有精密机床都是采用有刷电机控制精度。无刷电机由于在起动和制动时不平稳，所以运动部件每次都会停到不同的位置上，必须通过定位销或限位器才可以停在想要的位置上。
6. 由于有刷电机结构简单，生产成本低，生产厂家多，应用也比较广泛，比如工厂、加工机床、精密仪器等，如果电机故障，只需更换碳刷即可，每个碳刷只需要几元，非常便宜。无刷电机技术不成熟，价格较高，应用范围有限，主要应用在恒速设备上，比如变频空调、冰箱等，无刷电机损坏只能更换。
7. 无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。无刷电机没有了电刷。少了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。

无刷直流电机的应用

1. 办公计算机外围设备、电子数码消费品领域。 这是无刷直流电机普及最广、数量最大的领域。比如在生活中常见的打印机、传真机、复印机、硬盘驱动器、软盘驱动器、电影摄影机、磁带记录仪等，在它们的主轴和附属运动的带动控制中，都有无刷直流电机的身影。
2. 工业控制领域。 近些年，由于无刷直流电机大规模的研发和技术的逐渐成熟，其驱动系统在工业生产中的分布范围也随之扩大，已逐步成为工业用电动机的发展主流。围绕降低生产成本和提高运行效率而展开的研究与尝试已取得显著的效益，各大厂商也提供不同型号的电机以满足不同驱动系统的需求。现阶段在纺织、冶金、印刷、自动化生产流水线、数控机床等工业生产方面，无刷直流电机都有涉猎。
3. 医疗设备领域。 在国外，对无刷直流电机的使用已经较为普遍，可以用来驱动人工心脏中的小型血泵；在国内，手术用高速器具的高速离心机、热像仪和测温仪的红外激光调制器都使用了无刷直流电机。
4. 汽车领域。 一般的家用轿车需要永磁电机 20-30个，而每辆豪华轿车则需要60个之多，除了核心发动机外，在雨刷器、电动车门、汽车空调、电动车窗等部位都有电机的身影。随着汽车工业向着节能环保的方向发展，所使用的电机也必须满足高效率、低能耗的标准。而无刷直流电机的低噪声、寿命长、无火花干扰、方便集中控制等优点完全符合，随着其调速技术的日益成熟，性价比会越来越高，它在汽车电机驱动的各个环节中的应用会更加广泛。
5. 家用电器领域。 “变频”技术已非常普遍，作为中国家电的标志逐渐占据了大部分的消费市场，“直流变频”受到生产厂商的青睐，已有逐渐替换掉“交流变频”的转变趋势。这种转变实质上就是家电所用的电动机由感应电动机向无刷直流电机及其控制器的过渡，以达到节能环保、低噪智能、舒适性高的要求。无刷直流电机的发展方向与电力电子、传感器、控制理论等技术的发展方向相同，它是多种技术相结合的产物，它的发展取决于与之相关的每一种技术的革新与进步。

无刷电机的驱动方法

电动机线圈与开关用晶体管相连接，由6个晶体管组成变频器。上下的晶体管依一定顺序交互地重复ON-OFF，转变线圈电流的方向。接下来说明旋转的结构。
以下图的晶体管的开关程序执行STEP①时，晶体管是Tr1与Tr6为ON的状态。这时的线圈电流是从U相流到W相，U相被励磁成N极、而W相则被励磁成S极。因此，转子旋转30°。此动作重复12次，转子旋转。

参考

无刷直流电机（BLDC）构成、应用领域及工作原理详解！
各种电机的控制算法对比，包含：BLDC、交流电机、步进电机、普通直流电机…
无刷电动机的构造及工作原理