什么是直流无刷电机？无刷电机的特点是什么

直流无刷电机是由电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体式化产品，无刷电机是指无电刷和换向器的电机，又称之为无换向器电机。其性能可与其他军品级减速机产品相媲美，却有着工业级产品的价格，主要用于塔式起重机的回转机构，又可作为配套部件用于起重、运输、建筑、挖掘等行业。常常应用在智能系统、航天、航空、家用设备、冶金、印刷设备、自动化生产线、数控机床等工业生产。

直流无刷电机是同步电机的一种，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。

一、无刷直流电机的基本特点是，无刷电机上，无需使用通常被认为是DC电动机缺点的刷子和整流子等机械触电，DC电动机使用刷子和整流子进行旋转，因此需要定期进行维护，而无刷电动机使用霍尔IC检测到的信号，利用驱动电路的晶体管的ON/OFF进行旋转，因此无需维护。

二、无刷减速电机可进行稳定的速度控制，是无刷电动机持续对设定速度和来自电动机的速度反馈信号进行对比，来调节施加到电动机上的电压；因此，即使负载状况发生变化，仍可以从低速瞬间调整到设定速度，并以此稳定的速度运行，使用变频器控的三相感应电动机不进行反馈控制，因此负载变大时，速度会大幅下降，对于速度稳定性要求较高的用途，建议使用无刷电动机。

三、使用直流无刷电机有助于节能，是无刷电动机的转子使用了永磁铁，可减少转子的二次损耗，因此比采用变频控制的三相感应电动机相比，耗电量减少约23%。有助于装置的节能。

四、无刷电动机的转子使用永磁体，因此实现了薄型和大功率，比如，与90型三相感应电动机相比总长缩短＞75mm，输出功率达到1.3倍，若采用无刷电动机，有助于实现装置的小型化。

五、由于直流无刷电机加载了过流、缺相、欠压等保护功能，搭载了保护功能，因此有助于保护设备系统的安全，可保证设备系统运行时的安全。

六、直流无刷电动机的速度控制范围宽广，无刷电动机的速度控制范围比AC调速电动机及变频器更广，由于不像AC调速电动机那样在低速时有使用转矩限制，因此，无刷电动机适用于从低速到高速都需要一定转矩的用途。

三相无刷直流电机拆解图，2022年市场规模将达197亿美元

01 无刷直流电机的概念

无刷直流电机（BLDC）即无电刷和换向器的电机，又称无换向器电机或同步直流电机。BLDC输入端为直流电，但本质上其实是通过循环切换逆变器主开关实现了交流电的效果，使线圈绕组产生变化的磁场，并让电机转子受连续的转矩作用而持续转动。

BLDC可以根据定子绕组的数量配置为单相、两相和三相，我们平时接触到的最多的是三相电机，上图是一款三相无刷直流电机的拆解示意图。

02 无刷直流电机的应用

据估计，2022年BLDC电机市场规模将达到197.6亿美元左右，随着BLDC电机技术趋于成熟，BLDC电机已经在军事、航空、工业、汽车、民用控制系统，以及家电等领域都有了广泛的应用。多见低压小功率器件，比如小型机器人、无人机、电动自行车、吸尘器、电动工具等。

下面举几个热门应用。

吸尘器/吹风机： 提到吹风机或吸尘器，大家耳熟能详的品牌就是戴森（Dyson）。戴森吹风机所宣传的“跨时代黑科技”V9智能数字电机比传统电机更小，更轻，转速更快。

戴森数字马达

不用碳刷，电机每分钟转数可达110000次，并且该电机比其他电机更小巧轻便。在戴森的数字电机采用的电机是“single-phase brushless DC motor”，本质上就是一款BLDC电机。

戴森数字马达

无人机/云台：

无人机电机控制的关键是转速和方向控制，最热门的无人机非大疆莫属。下图是无人机Spark的拆解图，可见四个角端的BLDC电机。

大疆Spark系列无人机拆解图

类似的应用还有云台。

一款云台用BLDC电机拆解图

电动工具：

生活中常见的手持电动工具，例如博世的电动扳手、电钻等。无刷直流电机的节能和高效率，再加上手持式的电动工具的成本也在持续下降，所以更多使用BLDC电机的电动工具发展迅速，最有名的国际大厂例如博世（Bosch）、德伟（Dewalt）、美沃奇（Milwaukee）等。

03 无刷直流电机的构成

简单介绍下BLDC的组成结构。

定子：

BLDC电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组。这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕组，以构成均匀分布的磁极。

转子： BLDC电机采用永磁体做转子，转子中是没有线圈的，而转子的南磁极和北磁极是交替排列的。另外，随着软磁材料技术的提高和价格的下降，转子的材料也更多地采用高性能的钕铁硼稀土材料制作永磁转子，其较高的磁能积和稳定的特性使BLDC电机拥有更好的机械特性和动态响应，更高的效率和转速范围。这里引用Microchip对BLDC的一篇原理说明文件中的示意图，下图是转子磁体横截面的示意图：

霍尔传感器：

BLDC电机的控制最重要的是转子位置的识别，位置识别的方法有两种，一种是用位置传感器来识别转子的位置，即霍尔传感器；另一种则无位置传感器，是通过检测反向电动势来识别转子的位置。

对于有感BLDC电机来说，多数BLDC电机会在定子中嵌入三个霍尔传感器。每次换向，都有一个绕组连到控制电源的正极（电流进入绕组），第二个绕组连到负极（电流从中流出），第三个处于失电状态。转矩是由定子线圈产生的磁场和永磁体之间的相互作用产生的。当转子磁极经过霍尔传感器附近时，传感器就会发出高电平或低电平信号，表征南/北磁极正在经过霍尔传感器所感知的区域。霍尔传感器输出的信号之间相位偏移可以是60°或120°。

霍尔效应：霍尔效应在1879年被美国物理学家霍尔发现，当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，导体中会产生一个与电流方向及磁场方向均垂直的电势差。且电势差的大小与磁感应强度的垂直分量及电流的大小成正比。

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