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電氣設(shè)備通常具有至少一個用于使物體從其初始位置旋轉(zhuǎn)或移位的電動機。市場上有各種類型的電機，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，目前的趨勢是大多數(shù)新設(shè)計正朝著無刷直流電機發(fā)展，通常稱為BLDC電機。 本文將集中討論BLDC電機設(shè)計的以下幾個方面：
無刷直流電動機在結(jié)構(gòu)和工作原理方面與交流感應(yīng)電動機和有刷直流電動機有許多相似之處。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)交流電動機類似，BLDC電動機定子由疊層鋼制成，??堆疊起來以承載繞組。定子中的繞組可以布置成兩種模式; 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RPM下提供高扭矩，而Δ模式在低RPM下提供低扭矩。這是因為在Δ配置中，一半的電壓施加在未被驅(qū)動的繞組上，因此增加了損耗，進而增加了效率和轉(zhuǎn)矩。  定子中的鋼制疊片可以開槽或無槽，如圖2所示。無槽鐵芯具有較低的電感，因此可以以非常高的速度運行。由于疊片堆中沒有齒，因此對齒槽轉(zhuǎn)矩的要求也會降低，因此也使它們成為低速的理想配合（當(dāng)轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子上的齒相互對齊時，由于兩者之間的相互作用，產(chǎn)生不希望的齒槽轉(zhuǎn)矩并導(dǎo)致速度波動。無槽芯的主要缺點是成本較高，因為它需要更多的繞組來補償更大的氣隙。  正確選擇用于定子結(jié)構(gòu)的層壓鋼和繞組對于電動機性能至關(guān)重要。選擇不當(dāng)可能會在生產(chǎn)過程中導(dǎo)致多個問題，從而導(dǎo)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)可以變化。增加極數(shù)確實可以提供更好的扭矩，但代價是降低最大可能的速度。  影響最大扭矩的另一個轉(zhuǎn)子參數(shù)是用于構(gòu)造永磁體的材料; 材料的磁通密度越高，扭矩越高。 工作原理和運作 BLDC電機工作的基本原理與有刷直流電機相同; 即內(nèi)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。使用BLDC電機，可以使用多個反饋傳感器實現(xiàn)。最常用的傳感器是霍爾傳感器和光學(xué)編碼器。 注意：霍爾傳感器采用霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)載流導(dǎo)體暴露在磁場中時，電荷載體會受到基于導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生的電壓的作用力。 當(dāng)轉(zhuǎn)子開始移動時，該扭矩達到最大值，但隨著兩個磁場彼此對齊，它會減小。因此，為了保持扭矩或建立旋轉(zhuǎn)，定子產(chǎn)生的磁場應(yīng)保持切換。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)被稱為換向。對于三相繞組，換向有6個步驟; 即，6種獨特的組合，其中電動機繞組將被激勵。 用于實現(xiàn)BLDC電機的驅(qū)動電路和波形將在本文的第二部分中討論。 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線旋轉(zhuǎn)的趨勢。  因此，為了增加扭矩，必須增加任何一個力 - 這需要更強的磁鐵或更大的電流 - 或者必須增加距離 - 這將需要更大的磁鐵。效率對于電機設(shè)計至關(guān)重要，因為它決定了功耗。更高效的電動機還需要更少的材料來產(chǎn)生所需的扭矩。  哪里，  已經(jīng)理解了上面提供的方程，理解速度與扭矩曲線變得很重要。  以下是圖5中所示圖表的內(nèi)容：
 應(yīng)用 單速 - 對于單速應(yīng)用，感應(yīng)電機更合適，但如果必須保持速度隨負載的變化，則由于BLDC電機的平坦速度 - 轉(zhuǎn)矩曲線，BLDC電機非常適合這樣的應(yīng)用。 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，從而增加了系統(tǒng)成本。由于定期維護，有刷直流電機也將是一種更昂貴的解決方案。 位置控制 - 不需要精確控制，如電磁爐和低維護; BLDC電機也是這里的贏家。然而，對于這樣的應(yīng)用，BLDC電機使用光學(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 - 已知有刷直流電機會產(chǎn)生更多的EMI噪聲，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，這可以使用磁場定向控制（FOC）正弦BLDC電機控制來解決。 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，無論何時轉(zhuǎn)子磁極（N或S）通過霍爾傳感器附近，它們都會產(chǎn)生高或低電平信號，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”的綠色繞組被激勵為NORTH極，標記為“010”的藍色繞組被激勵為南極。由于這種激勵，轉(zhuǎn)子的南極與綠色繞組對齊，而北極與標有“100”的RED繞組對齊。為了移動轉(zhuǎn)子，“RED”和“BLUE”繞組沿圖4（B）所示的方向通電。這使得RED繞組成為NORTH極，藍色繞組成為南極。由于排斥（紅色繞組 - 北 - 北對準）和吸引力（藍色繞組 - 北 - 南對準）的發(fā)展，定子中的磁場的這種移動產(chǎn)生扭矩，其使轉(zhuǎn)子沿順時針方向移動。  當(dāng)轉(zhuǎn)子開始移動時，該扭矩達到最大值，但隨著兩個磁場彼此對齊，它會減小。因此，為了保持扭矩或建立旋轉(zhuǎn)，定子產(chǎn)生的磁場應(yīng)保持切換。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)被稱為換向。對于三相繞組，換向有6個步驟; 即，6種獨特的組合，其中電動機繞組將被激勵。 用于實現(xiàn)BLDC電機的驅(qū)動電路和波形將在本文的第二部分中討論。 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線旋轉(zhuǎn)的趨勢。 因此，為了增加扭矩，必須增加任何一個力 - 這需要更強的磁鐵或更大的電流 - 或者必須增加距離 - 這將需要更大的磁鐵。效率對于電機設(shè)計至關(guān)重要，因為它決定了功耗。更高效的電動機還需要更少的材料來產(chǎn)生所需的扭矩。  哪里， 已經(jīng)理解了上面提供的方程，理解速度與扭矩曲線變得很重要。 以下是圖5中所示圖表的內(nèi)容：
應(yīng)用 單速 - 對于單速應(yīng)用，感應(yīng)電機更合適，但如果必須保持速度隨負載的變化，則由于BLDC電機的平坦速度 - 轉(zhuǎn)矩曲線，BLDC電機非常適合這樣的應(yīng)用。 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，從而增加了系統(tǒng)成本。由于定期維護，有刷直流電機也將是一種更昂貴的解決方案。 位置控制 - 不需要精確控制，如電磁爐和低維護; BLDC電機也是這里的贏家。然而，對于這樣的應(yīng)用，BLDC電機使用光學(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 - 已知有刷直流電機會產(chǎn)生更多的EMI噪聲，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，這可以使用磁場定向控制（FOC）正弦BLDC電機控制來解決。 |
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