無(wú)刷電機VS有刷電機

有刷直流電機

直流電機以良好的啟動(dòng)性能、調速性能等優(yōu)點(diǎn)著(zhù)稱(chēng)，其中屬于直流電機一類(lèi)的有刷直流電機采用機械換向器，使得驅動(dòng)方法簡(jiǎn)單，其模型示意圖如圖1所示。

圖1 直流電機模型示意圖

電機主要由永磁材料制造的定子、繞有線(xiàn)圈繞組的轉子（電樞） 、換向器和電刷等構成。只要在電刷的A和B兩端通入一定的直流電流， 電機的換向器就會(huì )自動(dòng)改變電機轉子的磁場(chǎng)方向，這樣，直流電機的轉子就會(huì )持續運轉下去。

由些可見(jiàn)，換向器和電刷在直流電機中扮演著(zhù)重要的角色，雖然它可以簡(jiǎn)化電機控制器的結構，但是，它自身卻存在一定的缺點(diǎn)：

●結構相對復雜，增加了制造成本；

●容易被環(huán)境（如灰塵等）影響，降低了工作的可靠性；

●換向時(shí)會(huì )產(chǎn)生火花，限制了使用范圍；

●容易損壞，增加了維護成本等。

無(wú)刷直流電機

無(wú)刷直流電機（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）的誕生，克服了有刷直流電機的先天性缺陷，以電子換向器取代了機械換向器，所以無(wú)刷直流電機既具有直流電機良好的調速性能等特點(diǎn)，又具有交流電機結構簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 無(wú)刷直流電機模型

圖2所示無(wú)刷直流電機模型，它是從圖1轉化過(guò)來(lái)的模型。它主要由用永磁材料制造的轉子、帶有線(xiàn)圈繞組的定子和位置傳感器（可有可無(wú)）組成?？梢?jiàn)，它和直流電機有著(zhù)很多共同點(diǎn)，定子和轉子的結構差不多（原來(lái)的定子變?yōu)檗D子，轉子變?yōu)槎ㄗ樱?，繞組的連線(xiàn)也基本相同。但是，結構上它們有一個(gè)明顯的區別：無(wú)刷直流電機沒(méi)有直流電機中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機結構就相對簡(jiǎn)單，降低了電機的制造和維護成本，但無(wú)刷直流電機不能自動(dòng)換向 （相） ， 犧牲的代價(jià)是電機控制器成本的提高 （如同樣是三相直流電機，有刷直流電機的驅動(dòng)橋需要 4 只功率管，而無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)橋則需要 6 只功率管） 。

圖2所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對極的無(wú)刷直流電機，它的定子在內，轉子在外，結構和圖1所示的直流電機很相似。另一種無(wú)刷直流電機的結構和這種剛剛相反，它的定子在外，轉子在內，即定子是線(xiàn)圈繞組組成的機座，而轉子用永磁材料制造。

無(wú)刷直流電機有以下的特點(diǎn)：

●無(wú)刷直流電機的外特性好，能夠在低速下輸出大轉矩，使得它可以提供大的起動(dòng)轉矩；

●無(wú)刷直流電機的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運行；

●無(wú)刷直流電機的效率高、過(guò)載能力強，使得它在拖動(dòng)系統中有出色的表現；

●無(wú)刷直流電機的再生制動(dòng)效果好，由于它的轉子是永磁材料，制動(dòng)時(shí)電機可以進(jìn)入發(fā)電機狀態(tài)；

●無(wú)刷直流電機的體積小，功率密度高；

●無(wú)刷直流電機無(wú)機械換向器，采用全封閉式結構，可以防止塵土進(jìn)入電機內部，可靠性高；

●無(wú)刷直流電機比異步電機的驅動(dòng)控制簡(jiǎn)單。

1.無(wú)刷直流電機的工作原理

無(wú)刷直流電機的定子是線(xiàn)圈繞組電樞，轉子是永磁體。如果只給電機通以固定的直流電流，則電機只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)，電機不能轉動(dòng)起來(lái)，只有實(shí)時(shí)檢測電機轉子的位置，再根據轉子的位置給電機的不同相通以對應的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉磁場(chǎng)，電機才可以跟著(zhù)磁場(chǎng)轉動(dòng)起來(lái)。

圖3 無(wú)刷直流電機轉動(dòng)原理

如圖3所示為無(wú)刷直流電機的轉動(dòng)原理示意圖，為了方便描述，電機定子的線(xiàn)圈中心抽頭接電機電源POWER，各相的端點(diǎn)接功率管，位置傳感器導通時(shí)使功率管的G極接12V，功率管導通，對應的相線(xiàn)圈被通電。由于三個(gè)位置傳感器隨著(zhù)轉子的轉動(dòng)，會(huì )依次導通，使得對應的相線(xiàn)圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也不斷地變化，電機轉子也跟著(zhù)轉動(dòng)起來(lái)，這就是無(wú)刷直流電機的基本轉動(dòng)原理——檢測轉子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向連續均勻地變化。

在下文介紹無(wú)刷直流電機的有位置傳感器驅動(dòng)的一節，將會(huì )進(jìn)一步介紹無(wú)刷直流電機的轉動(dòng)原理。

為了方便理解，本文檔以下內容統一用如圖4所示的這兩種符號作為模型簡(jiǎn)介。其中A為電機轉子和定子在同一圓心上，B為不同一圓心上，是為了方便說(shuō)明電機內部磁場(chǎng)。詳細請看下文。

圖4 無(wú)刷直流電機結構示意圖

2.無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)方法

無(wú)刷直機電機的驅動(dòng)方式按不同類(lèi)別可分多種驅動(dòng)方式，它們各有特點(diǎn)。

按驅動(dòng)波形：

●方波驅動(dòng)，這種驅動(dòng)方式實(shí)現方便，易于實(shí)現電機無(wú)位置傳感器控制。

●正弦驅動(dòng)，這種驅動(dòng)方式可以改善電機運行效果，使輸出力矩均勻，但實(shí)現過(guò)程相對復雜。同時(shí)，這種方法又有 SPWM 和 SVPWM（空間矢量 PWM）兩種方式，SVPWM的效果好于 SPWM。