电机世界之直流无刷电机（科普文）
之前我們介紹了電機(jī)家族里結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的直流有刷電機(jī)（Brushed DC Motor），只要給電刷兩端通上電，就可以使其工作。
但是有刷電機(jī)有一個(gè)比較令人討厭的缺點(diǎn)：那就是“吵”（noisy）。因?yàn)殡娝⒑蛽Q向環(huán)需要時(shí)刻不停地摩擦，才能給電樞供電。所以，如果你想要一個(gè)“靜音風(fēng)扇”的話，肯定不能選使用了有刷電機(jī)的產(chǎn)品。
并且電刷使用時(shí)間久了，比較容易損壞。電流較大的時(shí)候，你甚至可以看到電刷在換向的時(shí)候噼里啪啦地冒火花，也是挺嚇人的。而這些缺點(diǎn)，在下面將要介紹的直流無(wú)刷電機(jī)（Brushless DC Motor）里，一樣都沒(méi)有！
我們將從以下四個(gè)方面來(lái)給大家介紹直流無(wú)刷電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱BLDC）：
1，BLDC的優(yōu)缺點(diǎn)；
2，BLDC的工作原理；
3，BLDC的控制方式；
4，BLDC的實(shí)際使用。
/ BLDC的優(yōu)缺點(diǎn) /
直流無(wú)刷電機(jī)，從字面上看，其最大的特點(diǎn)，就是“無(wú)刷”，也就是沒(méi)有電刷的意思。
就因?yàn)闆](méi)有電刷，它非常完美地避開(kāi)了有刷電機(jī)的那幾個(gè)缺點(diǎn)。所以反過(guò)來(lái)說(shuō)，它主要的優(yōu)點(diǎn)就是：
1，壽命長(zhǎng)；
2，能夠做到靜音；
3，效率高（損耗低）；
4，體積較小；
5，穩(wěn)定性高。
至于缺點(diǎn)，等我們了解它的工作原理和控制方式以后，自然而然就明白了。
/ BLDC的工作原理 /
BLDC是電機(jī)的一種，所以它最基本的構(gòu)成也離不開(kāi)定子（stator）和轉(zhuǎn)子（rotor）。還記得有刷電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)嗎？有刷電機(jī)的定子是永磁體，而它的轉(zhuǎn)子，則是通電的線圈（繞組）。如下圖：
但是對(duì)于BLDC來(lái)說(shuō)，情況恰恰相反！
BLDC的定子（stator）是通電的線圈，而轉(zhuǎn)子（rotor）卻是永磁體！
從“麥克斯韋-安培定律”可以知道，通電線圈附近的空間會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。而磁場(chǎng)的分布方向，我們可以用“右手定則”得出。如下圖：
其實(shí)這就是我們常說(shuō)的“電磁鐵”了！
那么接下來(lái)的事情就簡(jiǎn)單了，磁鐵的特性是什么？估計(jì)小學(xué)生都會(huì)大聲說(shuō)出它的答案：
同性相斥，異性相吸！
所以，我們只要給定子上的線圈接入方向適當(dāng)?shù)碾娏?#xff0c;即讓電磁鐵的磁極方向和永磁體的磁極方向正好對(duì)應(yīng)，不就能排斥、或者吸引轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)了嘛。
上圖就是按順序單獨(dú)給線圈通電，使其朝向轉(zhuǎn)子的方向?yàn)殡姶盆F的S極，吸引轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)
這個(gè)轉(zhuǎn)子像不像一頭正在拉磨的驢，一直被前面的胡蘿卜（定子）所吸引，最終一刻不停地往前走呢？
* 定子的優(yōu)化 *
以上的驅(qū)動(dòng)方式，即按順序單獨(dú)給每個(gè)線圈通電，雖然可行，但是未免太過(guò)繁瑣，效率低下。因此，實(shí)際上的BLDC會(huì)將那六個(gè)線圈兩兩組合，分成A，B，C三個(gè)繞組，如下圖：
這樣我們就可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電磁鐵了，效率立馬提高了一倍，有沒(méi)有！
但是這還只是用了磁鐵“吸引”的特性，別忘了磁鐵還有“排斥”的特性。
如果我們?cè)偻瑫r(shí)驅(qū)動(dòng)另外一組線圈，讓上一組線圈“吸引”轉(zhuǎn)子的時(shí)候，另外一組線圈“排斥”轉(zhuǎn)子，那么我們的轉(zhuǎn)子將會(huì)獲得更高的驅(qū)動(dòng)力！如下圖：
到目前為止，相信你已經(jīng)對(duì)BLDC的工作原理有了比較深入的了解。這個(gè)模型已經(jīng)開(kāi)始接近實(shí)際的BLDC產(chǎn)品了。
但是對(duì)于上面的模型，我們需要給兩個(gè)繞組同時(shí)提供方向相反的兩組電源，才能同時(shí)達(dá)到“吸引”和“排斥”的效果。這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)講，未免過(guò)于復(fù)雜，成本也太高。
接下來(lái)我們要講的“BLDC的控制方式”章節(jié)，將會(huì)解決上面這個(gè)問(wèn)題。
/ BLDC的控制方式 /
原來(lái)的A,B,C三個(gè)繞組是各自獨(dú)立的，因此控制起來(lái)非常麻煩。那如果我們把A,B,C三個(gè)繞組接在一起，拼成一個(gè)“星形連接（star arrangement）”，結(jié)果會(huì)是怎么樣？
本來(lái)三個(gè)繞組，引出六根線；現(xiàn)在引出的線減少到只有三根線，那么這么接怎么實(shí)現(xiàn)跟六根線一樣的控制效果呢？如下圖：
電源正極接在右上角的A繞組輸入，而電源的負(fù)極接在了左下角的B繞組輸出。這個(gè)時(shí)候A繞組和B繞組同時(shí)被驅(qū)動(dòng)，而且其極性正好相反，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)繞組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí)一樣的效果！
所以只要按照這個(gè)順序：AB-AC-BC-BA-CA-CB，這六個(gè)節(jié)拍，依次循環(huán)驅(qū)動(dòng)定子的繞組，轉(zhuǎn)子就能一直旋轉(zhuǎn)下去！
可以使用六個(gè)電子開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)這六個(gè)節(jié)拍的驅(qū)動(dòng)，如下圖：
* 位置檢測(cè) *?
我們雖然已經(jīng)知道了控制轉(zhuǎn)子的六個(gè)節(jié)拍的方法。但是你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的問(wèn)題：如果不知道轉(zhuǎn)子的位置，如何知道何時(shí)該驅(qū)動(dòng)哪個(gè)繞組？所以我們必須要知道轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置！
而轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)，一般有兩種方式：
1，霍爾傳感器檢測(cè)法；
如下圖，在定子里放上H1,H2,H3，三個(gè)霍爾傳感器，就可以知道當(dāng)前的定子的確切位置。
霍爾傳感器的輸出用高低電平來(lái)表示：
2，反向電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法；
反向電動(dòng)勢(shì)（Back EMF）檢測(cè)法是基于電磁感應(yīng)原理：當(dāng)沒(méi)有通電的繞組周圍的磁場(chǎng)（磁通量）改變時(shí)，會(huì)在這個(gè)繞組上感應(yīng)出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，我們只要檢測(cè)這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向，也能知道當(dāng)前定子的位置。
這兩種檢測(cè)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：霍爾傳感器檢測(cè)精度更高一點(diǎn)，但是成本也較高；相反，反向電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法經(jīng)濟(jì)性更好，但是精度稍低。
* 內(nèi)轉(zhuǎn)子 or 外轉(zhuǎn)子 *
BLDC有兩種結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子在內(nèi)的叫做內(nèi)轉(zhuǎn)子BLDC；相反，轉(zhuǎn)子在外的叫做外轉(zhuǎn)子BLDC。
相對(duì)來(lái)說(shuō)，外轉(zhuǎn)子BLDC應(yīng)用更多一點(diǎn)。主要原因是外轉(zhuǎn)子BLDC在機(jī)械結(jié)構(gòu)上更穩(wěn)定。
這是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行下，由于離心力的作用，會(huì)有向外擴(kuò)張的趨勢(shì)。所以內(nèi)轉(zhuǎn)子BLDC需要非常高的機(jī)械精度，保證轉(zhuǎn)子和定子不會(huì)打架。但是如果預(yù)留的距離太遠(yuǎn)，又會(huì)導(dǎo)致漏磁而影響電機(jī)的整體效率。
但是在外轉(zhuǎn)子BLDC上卻沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橥廪D(zhuǎn)子天然不受擴(kuò)張影響。
/ BLDC的缺點(diǎn) /
我們現(xiàn)在再回到前面遺留下的問(wèn)題：BLDC的缺點(diǎn)是什么？相信聰明的你已經(jīng)可以猜到：我們花了那么多的篇幅來(lái)講BLDC的控制方式，足以看到其控制的難度，相對(duì)于有刷電機(jī)來(lái)說(shuō)，是高出了不少的！
所以說(shuō)BLDC最大的缺點(diǎn)，就是他的控制難度高，驅(qū)動(dòng)電調(diào)（Electronic Speed Control，簡(jiǎn)稱ESC）價(jià)格較高。
它還有一個(gè)缺點(diǎn)，就是BLDC由于感抗的原因，啟動(dòng)時(shí)會(huì)伴隨著抖動(dòng)，不像有刷電機(jī)的啟動(dòng)那么平穩(wěn)。
綜上所述，有刷電機(jī)和BLDC各有優(yōu)缺點(diǎn)，都不是完美的。如何選擇要視具體的應(yīng)用場(chǎng)景而定。那接下來(lái)我們就來(lái)看看，BLDC的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景吧。
/ BLDC的實(shí)際應(yīng)用 /
1，靜音散熱風(fēng)扇
風(fēng)冷是很多設(shè)備散熱的首選。例如市面上很多主打“靜音”的機(jī)箱，如果是使用風(fēng)冷，里面的散熱風(fēng)扇基本都是使用BLDC。
用來(lái)給筆記本電腦散熱的底座也常用BLDC：
除此之外，一些大型的通風(fēng)散熱系統(tǒng)里面，使用的也是BLDC風(fēng)扇。
2，電動(dòng)四軸/多軸無(wú)人機(jī)
大部分較大功率的電動(dòng)四軸/多軸無(wú)人機(jī)使用的都是BLDC，適配上合適的電調(diào)（ESC），再使用PWM來(lái)控制BLDC調(diào)速是非常方便的。
3，電動(dòng)工具
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電扳手基本上都使用了BLDC，還有大部分的手電鉆也一樣。主要是因?yàn)锽LDC的高效率，而使得電池供電的電動(dòng)工具續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)。還有一點(diǎn)是無(wú)刷電機(jī)的扭矩輸出非常穩(wěn)定，如下圖：
這是其他類型的電機(jī)很難做到的一個(gè)特點(diǎn)。
除了以上三類以外，還有冰箱壓縮機(jī)，冰柜冷卻風(fēng)機(jī)，以及近幾年很火的空氣凈化器、吸塵器/掃地機(jī)器人等，使用的都是BLDC驅(qū)動(dòng)。
/ 結(jié)語(yǔ) /
以上就是今天要介紹的無(wú)刷電機(jī)BLDC的全部?jī)?nèi)容了。當(dāng)然，這里只是一個(gè)非常基本的介紹，如果想要完美地控制一個(gè)BLDC工作起來(lái)，還需要小伙伴們繼續(xù)不斷地深入學(xué)習(xí)。
文中部分圖片來(lái)自網(wǎng)站：https://howtomechatronics.com/
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的电机世界之直流无刷电机（科普文）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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