无刷直流电机简介（无刷直流电机的工作原理是什么）

无刷直流电机(BLDC)，也称为电子换向电机（ECM 或EC 电机）或同步直流电机，是一种使用直流(DC) 电源的同步电机。无刷直流电机本质上是一种永磁同步电机，采用直流电源输入，并使用逆变器将其转换为带有位置反馈的三相交流电源。

电机的类型有很多种，无刷直流电机是当今最理想的调速电机。它结合了直流电机和交流电机的优点。它既具有直流电动机良好的调节性能，又具有交流电动机结构简单、无换向火花、运行可靠、维护方便等优点。因此深受市场欢迎，广泛应用于汽车、家电、工业设备等领域。

01 无刷直流电机的发展历史

无刷直流电机并不是最早的产品，而是在有刷电机的基础上发展起来的。其结构比有刷电机复杂。无刷直流电机由电机本体和驱动器组成。与有刷直流电机不同，无刷直流电机不使用机械电刷装置。相反，他们使用方波自控永磁同步电机，并使用霍尔传感器来代替二氧化碳。有刷换向器采用钕铁硼作为转子的永磁材料。

然而，早在上世纪电机诞生时，生产出来的实用电机都是无刷电机。

1740年代：电动机的发明开始

早期的电机模型首次出现于1740 年代，由苏格兰本笃会修道士兼科学家安德鲁戈登(Andrew Gordon) 完成。其他科学家，如迈克尔法拉第和约瑟夫亨利，继续开发早期的电机，进行电磁场实验并发现如何将电能转化为机械能。

1832年：发明第一台换向器直流电机

1832年，英国物理学家威廉斯特金发明了第一台直流电动机，可以提供足够的动力来驱动机械，但由于其功率输出较低，其应用受到严重限制。

1834 年：第一台真正的电动机诞生

追随斯特金的脚步，美国佛蒙特州的托马斯达文波特(Thomas Davenport) 于1834 年发明了第一台正式的电池供电电动机，创造了历史。这是第一台具有足够功率来执行任务的电动机，他的发明被用来为小型印刷机提供动力。 1837 年，托马斯达文波特(Thomas Davenport) 和他的妻子艾米丽达文波特(Emily Davenport) 获得了第一个直流电机专利。

但他们的电机设计仍然面临着与威廉斯特金的设计相同的功率和效率问题。不幸的是，由于涉及电池电力成本高昂，托马斯破产了，该机器无法商业化使用。

1886 年：实用直流电机的发明

1886年，第一台实用的恒速变重直流电机问世。弗兰克朱利安斯普拉格（Frank Julian Sprague）是它的发明者，正是这种电机为电动机在工业应用中的广泛使用提供了催化剂。

值得一提的是，这款实用电机采用无刷形式，即交流鼠笼式异步电机，不仅消除了绕组两端的火花和电压损失，而且可以恒速输送动力。然而，异步电机存在许多难以克服的缺陷，导致电机技术发展缓慢。

无刷电机诞生后不久，人们又发明了直流有刷电机。有刷直流电机因其机构简单、易于生产加工、维护方便、易于控制而成为当时的主流。

1887 年：交流感应电机获得专利

1887年，尼古拉特斯拉发明了交流感应电动机，并于一年后成功申请了专利。它不适合公路车辆，但后来被西屋电气工程师进行了修改。 1892 年，设计了第一台实用的感应电机，随后设计了旋转条绕转子，使电机适合汽车应用。

1891 年：开发三相电机

1891年，通用电气开始开发三相感应电机。为了利用绕线转子设计，GE 和西屋电气于1896 年签署了交叉许可协议。

1955年：无刷直流电机时代开始

1955年，美国D哈里森等人申请了第一个使用晶体管换向线取代有刷直流电机机械电刷的专利，正式标志着现代无刷直流电机的诞生。但当时还没有电机转子位置检测装置，电机不具备启动能力。

1962 年：发明第一台无刷直流(BLDC) 电机

得益于20世纪60年代初固态技术的进步，1962年，TG Wilson和PH Trickey发明了第一台无刷直流（BLDC）电机，他们称之为“具有固态换向的直流电机”。无刷电机的关键要素是它不需要物理换向器，这使其成为计算机磁盘驱动器、机器人和飞机最受欢迎的选择。

他们使用霍尔元件来检测转子位置并控制绕组电流换向，使无刷直流电机变得实用。但由于晶体管容量的限制，电机功率比较小。

20世纪70年代至今：无刷直流电机应用快速发展

20世纪70年代以来，随着新型功率半导体器件（如GTR、MOSFET、IGBT、IPM）的出现，计算机控制技术（单片机、DSP、新控制理论）的快速发展，以及高性能稀土永磁材料的出现，磁铁材料（如钐钴、钕铁硼）的出现，无刷直流电机得到迅速发展，容量不断增大。

后来随着1978年经典的mac无刷直流电机及其驱动器的推出，以及20世纪80年代方波无刷电机和正弦波无刷直流电机的发展，无刷电机真正开始进入实用阶段并迅速发展。

02BLDC电机基础知识

(1)无刷直流电机的结构

无刷直流电机主要由永磁材料制成的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器（可选）组成。

定子

BLDC 电机的定子结构与感应电机类似。它由堆叠的钢叠片组成，带有用于缠绕的轴向槽。 BLDC 中的绕组与传统感应电机中的绕组略有不同。

无刷直流电机定子

通常，大多数BLDC 电机由三个以星形或“Y”形（无中性点）连接的定子绕组组成。此外，根据线圈互连方式，定子绕组又分为梯形电机和正弦电机。

BLDC 电机反电动势

在梯形电机中，驱动电流和反电动势都具有梯形形状（在正弦电机的情况下为正弦形）。通常，额定电压为48 V（或更低）的电动机用于汽车和机器人（混合动力汽车和机械臂）。

转子

BLDC 电机的转子部分由永磁体组成，通常是稀土合金磁体，如钕(Nd)、钐钴(SmCo) 和钕铁硼(NdFeB)。

根据应用的不同，极数可以从2 到8 不等，北极(N) 和南极(S) 交替放置。下图显示了三种不同的磁极排列。

(a)：磁铁放置在转子的外周上。

(b)：称为电磁嵌入式转子，其中矩形永磁体嵌入转子的铁芯中。

(c)：将磁铁插入转子的铁芯中。

无刷直流电机转子

位置传感器（霍尔传感器）

由于BLDC 电机中没有电刷，因此换向是电子控制的。为了使电机旋转，定子绕组必须顺序通电，并且必须知道转子的位置（即转子的北极和南极），以便准确地为一组特定的定子绕组通电。

位置传感器通常采用霍尔传感器（利用霍尔效应原理工作）来检测转子的位置并将其转换为电信号。大多数BLDC 电机使用嵌入定子中的三个霍尔传感器来检测转子的位置。

霍尔传感器的输出会高或低，具体取决于转子的北极是南极还是靠近北极。通过结合三个传感器的结果，可以确定确切的加电顺序。

(2)无刷直流电机工作原理

点击视频秒懂BLDC工作原理

顾名思义，无刷直流电机不使用电刷。无刷直流电机不使用换向器来调节线圈内的电流，而是使用电子换向器来传递电流，从而产生交流电信号，使电机驱动。

无刷直流电机的工作原理与有刷直流电机类似。洛伦兹力定律指出，每当将载流导体置于磁场中时，它就会受到力。由于反作用力，磁铁将受到相等且相反的力。当电流通过线圈时，就会产生磁场。该磁场由定子磁极驱动。相同极性相互排斥，相反极性相互吸引。如果线圈中电流的方向不断改变，那么转子感应出的磁场的磁极就会不断变化，那么转子就会在磁场的作用下继续旋转。

在BLDC 电机中，载流导体（定子）是静止的，而永磁体（转子）是移动的。

BLDC 电机运行图

当定子线圈从电源获得电力时，它变成电磁体并开始在气隙中产生均匀的磁场。即使电源是直流电源，开关也会产生梯形的交流电压波形。由于电磁定子和永磁转子之间的相互作用力，转子继续旋转。

通过将绕组切换为高信号和低信号，相应的绕组被通电为北极和南极。具有南极和北极的永磁转子与定子磁极对齐，导致电机旋转。

一极和二极BLDC 电机运行图

无刷直流电机有三种配置：单相、两相和三相。其中，三相BLDC是最常见的一种。

(3)无刷直流电机的驱动方式

无刷直驱电机的驱动方式根据不同类别可分为多种驱动方式，每种驱动方式各有特点。

按驱动波形分：方波驱动，这种驱动方式实现简单，易于控制无位置传感器的电机；

正弦驱动：这种驱动方式可以改善电机的运行效果，使输出扭矩均匀，但实现过程相对复杂。同时，该方法有两种方法：SPWM和SVPWM（空间矢量PWM）。 SVPWM的效果比SPWM要好。

(4)无刷直流电机的优点和局限性

优势：

输出功率高体积小、重量轻散热好、效率高工作转速范围宽电噪声低可靠性高，维护要求低动态响应高电磁干扰少

局限性：

控制该电机所需的电子控制器非常昂贵

需要复杂的驱动电路

需要额外的位置传感器（FOC 不使用）

(5)无刷直流电机的应用

无刷直流电机广泛应用于各种应用需求，如工业控制、汽车、航空、自动化系统、医疗保健设备等领域的各种负载、恒定负载和定位应用。

工控领域

近年来，由于无刷直流电机的大规模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不断扩大，逐渐成为工业电机发展的主流。围绕降低生产成本和提高运行效率的研究和尝试已经取得了显着的成果，各大制造商也提供了不同类型的电机来满足不同驱动系统的需求。现阶段，无刷直流电机涉足纺织、冶金、印刷、自动化生产线、数控机床等工业生产。

汽车领域

除了核心发动机之外，电机还存在于雨刷、电动门、汽车空调、电动车窗等部件中。随着汽车工业向节能环保方向发展，所使用的电机也必须满足高效率、低能耗的标准。无刷直流电机完全符合其低噪音、长寿命、无火花干扰、集中控制方便等优点。随着其调速技术的日益成熟，其性价比将越来越高。它在汽车电机驱动的各个方面都发挥着重要作用。应用将会更加广泛。

医疗器械领域

在国外，无刷直流电机的使用已较为普遍，可用于驱动人工心脏中的小型血泵；在中国，用于高速手术器械的高速离心机、用于热像仪的红外激光调制器和温度计均采用无刷直流电机。

家电领域

“变频”技术已经变得非常普遍。作为中国家电的象征，它已经逐渐占领了大部分消费市场。 “直流变频”受到厂家青睐，已逐渐取代“交流变频”。这种转变本质上是家电用电机从感应电机向无刷直流电机及其控制器的转变，以满足节能、环保、低噪音、智能化、高舒适度的要求。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。它是多种技术结合的产物，它的发展依赖于与其相关的各项技术的创新和进步。

办公电脑周边、电子数码消费品领域

例如，常见的打印机、传真机、复印机、硬盘驱动器、软盘驱动器、电影摄像机等，其主轴和辅助运动的驱动控制均采用无刷直流电机。

03无刷直流电机与有刷直流电机的区别

无刷直流电机与有刷直流电机的比较

工作原理的区别：

有刷电机使用机械换向，因此磁极不会移动，线圈会旋转。有刷电机的主要结构是定子+转子+电刷，通过旋转磁场获得旋转扭矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触、摩擦，在旋转过程中起到导电和换相的作用。

无刷电机采用电子换向，线圈不移动，磁极旋转。无刷直流电机由电机本体和驱动器组成，是典型的机电一体化产品。无刷电机通过霍尔元件感测永磁体磁极的位置。基于这种感知，它利用电子电路及时切换线圈中电流的方向，以确保产生正确方向的磁力来驱动电机。

性能差异：

有刷直流电机技术更加成熟，启动响应更快，启动扭矩更大，运行更平稳，控制精度更高。有刷直流电机机构简单，易于生产加工。 19世纪已得到广泛应用，技术发展也较为成熟。无刷直流电机近十年才慢慢投入商业运行，技术还比较不成熟。有刷直流电机启动响应快、启动扭矩大、变速平滑，而无刷电机启动电阻（感抗）较大，启动扭矩相对较小。直流有刷电机具有更大的输出功率和更高的控制精度。控制精度可达0.01毫米，这使得运动部件几乎可以停在任何你想要的地方。所有精密机床均采用直流电机来控制精度。

无刷直流电机具有干扰小、噪音低、寿命长、维护成本低等特点。与有刷直流电机相比，无刷直流电机去掉了电刷。最直接的改变就是有刷电机运行时不会产生火花，大大减少了火花对遥控无线电设备的干扰。无刷电机没有电刷，因此运行时的摩擦大大减少，运转平稳，噪音也低很多。这个优势对于模型运行的稳定性是一个巨大的支撑。没有电刷，无刷电机的磨损主要在轴承上。从机械角度来看，无刷电机几乎是免维护电机。必要时只需做一些除尘维护即可。

调速方式的区别：

其实两种电机的控制都是调压，但由于无刷直流采用电子换相，只能用数字控制来实现，而有刷直流则通过碳刷换向，采用晶闸管等，传统的模拟电路就可以控制并且都比较简单。

04全球主流BLDC电机制造商（Top 10）

目前，BLDC行业的顶尖企业包括ABB、AMTEK、日本电产、美蓓亚集团、德昌电机、联动科技、电力电子、北美电气公司、施耐德电气等。Regal Beloit Corporation 等。

来源：电子爱好者ABB

ABB拥有130多年的技术创新历史，现已成为电气化产品、工业自动化和电网、机器人和运动领域的全球领导者。它为世界各地的公用事业、工业、运输和基础设施领域的客户提供服务。

阿美特克

AMETEK 是一家世界一流的组织，致力于通过独特的技术创新为客户最复杂的挑战提供解决方案。 AMETEK 的子公司AMETEK Advanced Motion Solutions (AMS) 总部位于俄亥俄州肯特市，提供直流电机、控制器/驱动器、风扇、泵、精密控制鼓风机和定制设计的线性运动系统。

日本电产

日本电产电机是日本领先的工业电机、控制设备、家用电器和消费产品制造商。该公司在中国、墨西哥、美国和英国拥有多个生产和销售基地。

美蓓亚集团

美蓓亚集团于1951年在日本成立，主要从事轴承等机加工零件业务，以及精密小型微电机等电子机械设备业务。是日本第一家微型、细径球轴承的专业制造商。在此基础上，我们逐步扩展到机械加工和电子设备加工领域。

德昌电机

德昌电机服务于各种垂直行业和企业超过50 年，现已成为电动机、运动子系统、执行器和相关机电组件领域的全球领导者。特定应用的知识和技术领先地位是德昌电机成为行业世界领先者的关键驱动力。该集团提供当今市场上最齐全的工程电动机和运动系统，这些产品可以标准化进行批量生产，也可以进行定制以满足战略部门和主要客户的需求。

联合体育技术公司

Allied Motion Technologies 是精密运动控制产品和解决方案的领先制造商，因其电磁、机械和电子运动技术知识而享誉全球。该公司的增长战略重点是利用其专业知识开发精密运动解决方案，利用各种Allied Motion 技术为客户创造更高价值的解决方案，从而成为选定目标市场的领导者。

普德电子有限公司

Baldor Electronics 成立于1920 年，是工业电机、驱动器和机械动力传输产品的领先营销商、设计商和制造商。

2011年，瑞士ABB以价值42亿美元（包括11亿美元债务）的全现金交易收购了Baldor。 Baldor 电气公司是ABB 美国电机和发电机业务部门，负责工业电机、发电机和机械动力传输。产品的营销、设计、制造和服务。 2018年，Baldor电气公司与ABB合并，成为ABB汽车和机械公司。

北美电气公司

北美电气公司成立于1993年，致力于制造高性能、高品质的电机。我们也是专用和通用交流电机、控制器和轴装减速器的批发供应商。 2014 年，北美电气成立了NAE 电机控制部门，使该公司能够为其广泛的配电网络提供完整的自动化解决方案。

施耐德电气

施耐德电气是一家法国跨国公司，成立于1836年，是全球能效管理和自动化领域的专家。其子公司施耐德电气美国公司是步进电机和电子控制系统创新运动控制解决方案领域公认的领导者，也是MDrive 产品线集成电机驱动器的全球领导者。

雷博电气

Regal Beloit 凭借其高效电机和传动系统，处于有利地位，能够充分利用全球能源效率趋势。该公司在客户需要的地方提供世界一流的产品和服务，其Genteq 品牌直流电机用于美国几乎所有变速家用HVAC 设备，其Marathon 电机、Leeson 和GE Commercial 电机品牌在全球使用工业部门。得到广泛应用。

结论：

经过近几十年的快速发展，无刷直流电机在技术上已日趋成熟。其应用领域几乎涵盖所有电机驱动场景，并展现出优异的特性，深受市场好评。它们将来可能会取代有刷直流电机。该电机处于直流电机的主流地位。华球商城致力于为用户提供优质的BLDC产品，推动国内BLDC市场的发展。