電氣設(shè)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(yīng)電機、伺服電機、直流電機（有刷和無刷）等。根據(jù)應(yīng)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(shè)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(shè)計的以下方面：

BLDC 電機的構(gòu)造

BLDC 電機的操作

扭矩和效率要求

與感應(yīng)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(jié)構(gòu)和工作原理方面分別與交流感應(yīng)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(yīng)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，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(gòu)造定子的疊層鋼和繞組對電機性能至關(guān)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(cè)產(chǎn)生的電壓的力。

如果磁場方向反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電壓也會反轉(zhuǎn)。對于 BLDC 電機中使用的霍爾效應(yīng)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，如圖 4 所示。

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

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(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。

本文第二部分將討論用于實現(xiàn) BLDC 電機的驅(qū)動電路和波形。

扭矩和效率

對于電動機的研究，扭矩是一個非常重要的術(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。效率對于電機設(shè)計至關(guān)重要，因為它決定了消耗的電量。效率更高的電機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：

隨著速度的增加，扭矩減?。紤]到輸入功率是恒定的）。

當速度為“空載”速度的一半且扭矩為失速扭矩的一半時，可以提供最大功率。

應(yīng)用

單速- 對于單速應(yīng)用，感應(yīng)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(yīng)用程序。

可調(diào)速- BLDC 電機更適合此類應(yīng)用，因為變速感應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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，但對 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。