這篇文章將深入探討無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱BLDC電動(dòng)機(jī)。我們將詳細(xì)了解其定義、工作原理、驅(qū)動(dòng)方法以及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
BLDC電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)中占據(jù)了不可或缺的地位，其普及程度在家用電器、汽車工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域中日益提高。盡管在千瓦級(jí)以下的范圍內(nèi)，有刷直流電機(jī)曾一度占據(jù)主導(dǎo)地位，但隨著電力電子和微處理技術(shù)的進(jìn)步，小型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在性價(jià)比方面取得了顯著提升，從而逐漸擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。
那么，什么是無(wú)刷（BLDC）電機(jī)呢？它類似于傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)，但核心區(qū)別在于換向方式。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將電流輸入定子，實(shí)現(xiàn)電子換向，而無(wú)需使用物理電刷。與常規(guī)有刷直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)碳刷傳輸電流到轉(zhuǎn)子不同，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電流是直接輸送到定子線圈。這種設(shè)計(jì)不僅消除了碳刷帶來(lái)的摩擦噪音和磨損問(wèn)題，還顯著延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造與設(shè)計(jì)
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與有刷電機(jī)之間的核心區(qū)別在于其換向方式。無(wú)刷電機(jī)摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械換向器，轉(zhuǎn)而采用電子開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行換向。這種設(shè)計(jì)使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在本質(zhì)上看似同步電動(dòng)機(jī)，即定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)以相同的頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
無(wú)刷電機(jī)通常有三種不同的配置：?jiǎn)蜗唷上嗪腿啵渲腥郆LDC電機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的一種。接下來(lái)，我們將深入探討B(tài)LDC電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造，通過(guò)橫截面圖來(lái)詳細(xì)了解其工作原理及各組成部分的功能。
無(wú)刷電機(jī)的主要構(gòu)成部分包括定子和轉(zhuǎn)子。定子的結(jié)構(gòu)類似于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，由硅鋼片堆疊而成，并設(shè)有軸向切槽以便于繞線。值得注意的是，無(wú)刷電機(jī)中的繞組設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的繞組存在一定差異。
通常，BLDC電動(dòng)機(jī)由三個(gè)定子繞組構(gòu)成，它們以星形或“Y”形方式連接，且無(wú)中性點(diǎn)。此外，定子繞組還可根據(jù)線圈類型進(jìn)一步劃分為梯形電流驅(qū)動(dòng)和正弦波電流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
在梯形電流驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)中，其驅(qū)動(dòng)電流與反電動(dòng)勢(shì)均呈現(xiàn)出梯形波形，這與正弦波驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的波形特征有所不同。這類電動(dòng)機(jī)常被應(yīng)用于汽車和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是混合動(dòng)力汽車和機(jī)器人手臂，其額定電壓通常為48V或以下。
再來(lái)看轉(zhuǎn)子部分，電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常由永磁體構(gòu)成，這些永磁體多為稀土合金磁體，例如釹（Nd）、釤鈷（SmCo）以及釹鐵氧體和硼的合金（NdFeB）。根據(jù)具體應(yīng)用需求，轉(zhuǎn)子的極數(shù)可能有所不同，通常在2到8個(gè)之間變化，且北極（N）和南極（S）會(huì)交替放置。下面展示了磁極的三種不同布置方式，其中最常見(jiàn)的是磁體被安置在轉(zhuǎn)子的外周上。
第二種配置稱為電磁嵌入式轉(zhuǎn)子，其中矩形永磁體被嵌入轉(zhuǎn)子的鐵心中。在第三種情況下，磁體被直接插入轉(zhuǎn)子的鐵芯中。
位置傳感器（霍爾傳感器）
由于無(wú)刷電機(jī)中無(wú)電刷存在，其換向過(guò)程是通過(guò)電子控制實(shí)現(xiàn)的。為了使電動(dòng)機(jī)能夠順暢旋轉(zhuǎn)，必須按照特定順序給定子繞組通電，而這個(gè)順序的確定需要知道轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置，即轉(zhuǎn)子的北極和南極的所在。
通常，霍爾傳感器（基于霍爾效應(yīng)原理工作）被用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。在大多數(shù)BLDC電機(jī)中，會(huì)使用三個(gè)霍爾傳感器，它們被嵌入到定中以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的位置變化。
霍爾傳感器的輸出電平（高或低）取決于轉(zhuǎn)子北極的當(dāng)前位置——是靠近南極還是北極。通過(guò)綜合三個(gè)傳感器的輸出結(jié)果，可以精確確定哪一組定子繞組應(yīng)該被通電。
工作原理概述
在理解無(wú)刷電機(jī)的工作原理時(shí)，我們可以想象定中設(shè)置了三個(gè)繞組：A、B和C。為了便于解釋，我們用單個(gè)磁體來(lái)代替實(shí)際的轉(zhuǎn)子進(jìn)行演示。
當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而磁力線的方向則取決于電流的方向。利用這一原理，如果給線圈A通入電流，它會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)并吸引轉(zhuǎn)子磁鐵，使轉(zhuǎn)子磁鐵沿順時(shí)針?lè)较蚵晕⑵撇⑴cA對(duì)齊。接著，如果依次使電流流過(guò)線圈B和C，轉(zhuǎn)子磁體將連續(xù)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。
為了提高效率，我們可以采用一種巧妙的方法：將單個(gè)線圈設(shè)計(jì)成相反的纏繞方式，從而產(chǎn)生雙重吸引力。此外，若同時(shí)為兩個(gè)線圈通電，一個(gè)線圈會(huì)吸引磁體，而另一個(gè)則會(huì)排斥磁體，這樣能進(jìn)一步提升效率。在此過(guò)程中，第三個(gè)線圈則保持空閑狀態(tài)。
為了確保轉(zhuǎn)子磁鐵能夠完成完整的360度旋轉(zhuǎn)，我們可以靈活運(yùn)用線圈A、B和C的六種不同組合，這些組合在以下的時(shí)序圖中得到了清晰的展示。
根據(jù)前述時(shí)序圖，我們可以清晰地看到，在任何時(shí)刻，總有一個(gè)相為正，一個(gè)相為負(fù)，而第三個(gè)相則處于空閑狀態(tài)（或稱浮動(dòng)狀態(tài)）。這種靈活的相序控制，結(jié)合霍爾傳感器的輸入，為我們提供了兩個(gè)開(kāi)關(guān)相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)。
在無(wú)刷電機(jī)中，定子和轉(zhuǎn)子扮演著核心角色，而驅(qū)動(dòng)電路則是確保電動(dòng)機(jī)順暢運(yùn)行的關(guān)鍵。典型的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如下：
該驅(qū)動(dòng)電路，常被稱作電子速度控制器系統(tǒng)或簡(jiǎn)化為ESC，其中一種典型的配置為全橋驅(qū)動(dòng)電路。它包含一個(gè)具備PWM輸出的MCU，以及為定子繞組三相服務(wù)的六個(gè)MOSFET。此外，霍爾傳感器的反饋和電源相關(guān)組件也是這一系統(tǒng)的重要組成部分。
通過(guò)對(duì)MCU的編程，可以依據(jù)霍爾傳感器提供的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET的適時(shí)切換。
無(wú)刷電機(jī)的顯著優(yōu)勢(shì)
無(wú)刷電動(dòng)機(jī)通過(guò)電子換向來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，相較于傳統(tǒng)的有刷DC電動(dòng)機(jī)，它具備以下顯著優(yōu)勢(shì)：
- 無(wú)磨損（得益于無(wú)刷設(shè)計(jì)）
- 高效率
- 優(yōu)異的速度與扭矩特性
- 耐用性更強(qiáng)
- 運(yùn)行安靜，噪音極低
- 轉(zhuǎn)速更高
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用廣泛，涵蓋多個(gè)領(lǐng)域。
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