無(wú)刷直流電機最強科普（收藏版）

攻城獅華哥

無(wú)刷直流電機（BLDC：Brushless Direct Current Motor），也被稱(chēng)為電子換向電機（ECM或EC電機）或同步直流電機，是一種使用直流電（DC）電源的同步電機。無(wú)刷直流電機實(shí)質(zhì)上為采用直流電源輸入，并用逆變器變?yōu)槿�相交流電源，帶位置反饋的永磁同步電機。

電機有各式各樣的種類(lèi)，而無(wú)刷直流電機是當今最理想的調速電機。

它集直流電機與交流電機的優(yōu)點(diǎn)于一身，既有直流電機良好的調整性能，又有交流電機結構簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點(diǎn)。因而備受市場(chǎng)歡迎，廣泛應用于汽車(chē)、家電、工業(yè)設備等領(lǐng)域中。

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01 無(wú)刷直流電機發(fā)展歷史

直流無(wú)刷電機并不是最早的產(chǎn)品，而是在有刷電機的基礎上發(fā)展而來(lái)的，其結構上要比有刷電機結構復雜。直流無(wú)刷電機由電機主體和驅動(dòng)器組成，區別于有刷直流電機，無(wú)刷直流電機不使用機械的電刷裝置，而是采用方波的自控式永磁同步電機，并以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉子的永磁材料。

但是，早在上世紀誕生電機的時(shí)候，產(chǎn)生的實(shí)用性電機卻是無(wú)刷形式的。

1740年代：電機發(fā)明開(kāi)始

通過(guò)蘇格蘭本篤會(huì )修士和科學(xué)家安德魯·戈登（Andrew Gordon）的研究工作，電機的早期模型首次出現于1740年代。其他科學(xué)家，例如邁克爾·法拉第（Michael Faraday）和約瑟夫·亨利（Joseph Henry）繼續開(kāi)發(fā)早期的電機，嘗試電磁場(chǎng)并發(fā)現如何將電能轉化為機械能。

1832年：首款換向器直流電機的發(fā)明

1832年，英國物理學(xué)家威廉·斯特金（William Sturgeon）就發(fā)明了第一臺可以提供足夠動(dòng)力來(lái)驅動(dòng)機械的直流電機，但是由于其低功率輸出，應用上受到嚴重限制。

1834年：制造了第一臺真正的電機

跟隨Sturgeon的腳步，美國佛蒙特州的托馬斯·達文波特（Thomas Davenport）于1834年發(fā)明了第一臺正式的電池供電的電機，從而創(chuàng )造了歷史。這是第一臺具有足夠功率執行任務(wù)的電動(dòng)馬達，他的發(fā)明被用于為小型印刷機提供動(dòng)力。1837年，托馬斯·達文波特和他的妻子艾米莉·達文波特（Emily Davenport）獲得了第一項直流電機專(zhuān)利。

但他們的電機設計仍然與William Sturgeon的設計面臨相同的功率和效率問(wèn)題的困擾。且不幸的是，由于涉及高昂的電池電力成本，Thomas破產(chǎn)了，該機器也無(wú)法在商業(yè)上使用。

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托馬斯和艾米麗·達文波特的專(zhuān)利電機

1886年：實(shí)用性直流電機的發(fā)明

1886年，第一臺可以在可變重量下恒速運行的實(shí)用直流電機面世。弗蘭克·朱利安·斯普拉格（Frank Julian Sprague）是其發(fā)明者，正是這種電機為工業(yè)應用中的電機的廣泛應用提供了催化劑。

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Frank Julian Sprague的“實(shí)用”馬達

值得一提的是，該實(shí)用性電機采用無(wú)刷形式，即交流式鼠籠式異步電機，它不僅消除了火花、繞組兩端的電壓損失，可以以恒定速度輸送功率。但是，異步電機有許多無(wú)法克服的缺陷，以致電機技術(shù)發(fā)展緩慢。

而在無(wú)刷電機誕生不久，人們就發(fā)明了直流有刷電機。直流有刷電機因機構簡(jiǎn)單，生產(chǎn)加工容易，維修方便，容易控制，一經(jīng)問(wèn)世便成為了當時(shí)的主流。

1887年：交流感應電機獲得專(zhuān)利

1887年，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發(fā)明了交流感應電機，并在一年后成功申請了專(zhuān)利。它不適用于公路車(chē)輛，但后來(lái)由西屋公司的工程師進(jìn)行了改裝。1892年，設計了第一臺實(shí)用的感應電機，接著(zhù)是旋轉的條形繞組轉子，使該電機適用于汽車(chē)應用。

1891年：三相電機的開(kāi)發(fā)

1891年，通用電氣開(kāi)始開(kāi)發(fā)三相感應電機。為了利用繞線(xiàn)轉子設計，GE和西屋公司于1896年簽署了交叉許可協(xié)議。

1955年：直流無(wú)刷電機時(shí)代開(kāi)始

1955年，美國d．harrison等人首次申請了用晶體管換向線(xiàn)路代替有刷直流電機機械電刷的專(zhuān)利，正式標志著(zhù)現代無(wú)刷直流電機的誕生。但當時(shí)沒(méi)有電機轉子位置檢測器件，該電機沒(méi)有起動(dòng)能力。

1962年：第一臺無(wú)刷直流（BLDC）電機的發(fā)明

得益于1960年代初期固態(tài)技術(shù)的進(jìn)步，1962年，TG Wilson和PH Trickey發(fā)明了第一臺無(wú)刷直流（BLDC）電機，他們稱(chēng)之為“帶固態(tài)換向的直流電機”。無(wú)刷電機的關(guān)鍵要素是它不需要物理?yè)Q向器，因此成為計算機磁盤(pán)驅動(dòng)器，機器人和飛機的最流行選擇。

他們利用了霍爾元件來(lái)檢測轉子位置并控制繞組電流換相，使無(wú)刷直流電機達到實(shí)用化，但受到晶體管容量的限制，電機功率相對較小。

1970年代至今：無(wú)刷直流電機應用快速發(fā)展

70年代以來(lái)，隨著(zhù)新型功率半導體器件（如GTR、MOSFET、IGBT、IPM）相繼出現，計算機控制技術(shù)（單片機、DSP、新的控制理論）的快速發(fā)展，以及高性能稀土永磁材料（如釤鈷、釹鐵硼）的問(wèn)世，無(wú)刷直流電機得到快速發(fā)展，容量不斷增大。

之后，隨著(zhù)1978年mac經(jīng)典無(wú)刷直流電機及其驅動(dòng)器的推出，以及80年代方波無(wú)刷電機和正弦波無(wú)刷直流電機的研發(fā)，無(wú)刷電機真正開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段，并且得到快速發(fā)展。

02 BLDC電機基礎知識

（1）無(wú)刷直流電機的結構

無(wú)刷直流電機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。

• 定子
  

BLDC電機的定子結構與感應電機相似。它由堆疊的鋼疊片組成，并帶有軸向切槽以用于纏繞。BLDC中的繞組與傳統感應電機的繞組略有不同。

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BLDC電機定子

通常，大多數BLDC電機由三個(gè)定子繞組組成，這三個(gè)定子繞組以星形或“Y”形連接（無(wú)中性點(diǎn)）。另外，基于線(xiàn)圈互連，定子繞組進(jìn)一步分為梯形和正弦電動(dòng)機。

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BLDC電機反電動(dòng)勢

在梯形電動(dòng)機中，驅動(dòng)電流和反電動(dòng)勢均呈梯形形狀（在正弦電動(dòng)機的情況下為正弦形）。通常，在汽車(chē)和機器人技術(shù)（混合動(dòng)力汽車(chē)和機器人手臂）中使用額定48 V（或以下）的電動(dòng)機。

• 轉子
  

BLDC電動(dòng)機的轉子部分由永磁體（通常是稀土合金磁體，例如釹（Nd），釤鈷（SmCo）和釹鐵硼（NdFeB）組成。

根據應用，極數可以在2到8個(gè)之間變化，北極（N）和南極（S）交替放置。下圖顯示了磁極的三種不同布置。

（a）：磁體放置在轉子的外周上。

（b）：稱(chēng)為電磁嵌入式轉子，其中矩形永磁體嵌入轉子的鐵心中。

（c）：將磁體插入轉子的鐵芯中。

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BLDC電機轉子

• 位置傳感器（霍爾傳感器）
  

由于BLDC電機中沒(méi)有電刷，因此換向是電子控制的。為了使電機旋轉，必須順序地給定子繞組通電，并且必須知道轉子的位置（即轉子的北極和南極）才能精確地給一組特定的定子繞組通電。

通常使用霍爾傳感器（根據霍爾效應原理工作）的位置傳感器來(lái)檢測轉子的位置并將其轉換為電信號。大多數BLDC電機使用三個(gè)霍爾傳感器，這些傳感器嵌入到定子中以檢測轉子的位置。

霍爾傳感器的輸出將是高電平還是低電平，這取決于轉子的北極是南極還是北極附近。通過(guò)組合三個(gè)傳感器的結果，可以確定通電的確切順序。

（2）無(wú)刷直流電機的工作原理

顧名思義，無(wú)刷直流電機不使用電刷。無(wú)刷直流電機不利用換向器來(lái)調節線(xiàn)圈內部的電流，而是使用電子換向器來(lái)傳遞電流，該電流產(chǎn)生交流電信號，從而導致電機驅動(dòng)。

無(wú)刷直流電機的工作原理與有刷直流電機相似。洛倫茲力定律指出，只要載流導體置于磁場(chǎng)中，它就會(huì )受到作用力。由于反作用力，磁體將承受相等且相反的力。當線(xiàn)圈中通過(guò)電流后，會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)被定子的磁極所驅動(dòng)，同極性相互排斥，異極性相互吸引，如果持續改變線(xiàn)圈中電流的方向的話(huà)，那么轉子所感應出磁場(chǎng)的磁極也會(huì )持續發(fā)生變化，那么轉子就會(huì )在磁場(chǎng)的作用下一直轉動(dòng)。

在BLDC電機中，載流導體（定子）是固定的，而永磁體（轉子）是運動(dòng)的。

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BLDC電機運轉示意圖

當定子線(xiàn)圈從電源獲得電源時(shí)，它就變成電磁體并開(kāi)始在氣隙中產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。盡管電源是直流電，但開(kāi)關(guān)仍會(huì )產(chǎn)生具有梯形形狀的交流電壓波形。由于電磁定子和永磁轉子之間的相互作用力，轉子繼續旋轉。

通過(guò)將繞組切換為高和低信號，相應的繞組被激勵為北極和南極。帶有南極和北極的永磁轉子與定子極對齊，從而導致電機旋轉。

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一對極和兩對極的 BLDC 電機運行動(dòng)圖

無(wú)刷直流電機有三種配置：?jiǎn)蜗�，兩相和三相。其中，三相BLDC是最常見(jiàn)的一種。

（3）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。

（4）無(wú)刷直流電機的優(yōu)點(diǎn)與局限性

優(yōu)點(diǎn)：

▷高輸出功率

▷小尺寸和重量

▷散熱性好、效率高

▷運行速度范圍寬

▷低電噪聲

▷高可靠性和低維護要求

▷高動(dòng)態(tài)響應

▷電磁干擾少

局限性：

▶控制該電機所需的電子控制器很昂貴

▶需要復雜的驅動(dòng)電路

▶需要額外的位置傳感器（FOC不用）

（5）無(wú)刷直流電機的應用

無(wú)刷直流電機廣泛用于各種應用需求，例如工業(yè)控制，汽車(chē)，航空，自動(dòng)化系統，醫療保健設備等領(lǐng)域中的各種負載，恒定負載和定位應用。

工業(yè)控制領(lǐng)域

近些年，由于無(wú)刷直流電機大規模的研發(fā)和技術(shù)的逐漸成熟，其驅動(dòng)系統在工業(yè)生產(chǎn)中的分布范圍也隨之擴大，已逐步成為工業(yè)用電機的發(fā)展主流。圍繞降低生產(chǎn)成本和提高運行效率而展開(kāi)的研究與嘗試已取得顯著(zhù)的效益，各大廠(chǎng)商也提供不同型號的電機以滿(mǎn)足不同驅動(dòng)系統的需求�，F階段在紡織、冶金、印刷、自動(dòng)化生產(chǎn)流水線(xiàn)、數控機床等工業(yè)生產(chǎn)方面，無(wú)刷直流電機都有涉獵。

汽車(chē)領(lǐng)域

除了核心發(fā)動(dòng)機外，在雨刷器、電動(dòng)車(chē)門(mén)、汽車(chē)空調、電動(dòng)車(chē)窗等部位都有電機的身影。隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)向著(zhù)節能環(huán)保的方向發(fā)展，所使用的電機也必須滿(mǎn)足高效率、低能耗的標準。而無(wú)刷直流電機的低噪聲、壽命長(cháng)、無(wú)火花干擾、方便集中控制等優(yōu)點(diǎn)完全符合，隨著(zhù)其調速技術(shù)的日益成熟，性?xún)r(jià)比會(huì )越來(lái)越高，它在汽車(chē)電機驅動(dòng)的各個(gè)環(huán)節中的應用會(huì )更加廣泛。

醫療設備領(lǐng)域

在國外，對無(wú)刷直流電機的使用已經(jīng)較為普遍，可以用來(lái)驅動(dòng)人工心臟中的小型血泵;在國內，手術(shù)用高速器具的高速離心機、熱像儀和測溫儀的紅外激光調制器都使用了無(wú)刷直流電機。

家用電器領(lǐng)域

“變頻”技術(shù)已非常普遍，作為中國家電的標志逐漸占據了大部分的消費市場(chǎng)，“直流變頻”受到生產(chǎn)廠(chǎng)商的青睞，已有逐漸替換掉“交流變頻”的轉變趨勢。這種轉變實(shí)質(zhì)上就是家電所用的電機由感應電機向無(wú)刷直流電機及其控制器的過(guò)渡，以達到節能環(huán)保、低噪智能、舒適性高的要求。無(wú)刷直流電機的發(fā)展方向與電力電子、傳感器、控制理論等技術(shù)的發(fā)展方向相同，它是多種技術(shù)相結合的產(chǎn)物，它的發(fā)展取決于與之相關(guān)的每一種技術(shù)的革新與進(jìn)步。

辦公計算機外圍設備、電子數碼消費品領(lǐng)域

比如在生活中常見(jiàn)的打印機、傳真機、復印機、硬盤(pán)驅動(dòng)器、軟盤(pán)驅動(dòng)器、電影攝影機等，在它們的主軸和附屬運動(dòng)的帶動(dòng)控制中，都有無(wú)刷直流電機的身影。

03 無(wú)刷直流電機與有刷直流電機的區別

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無(wú)刷直流電機與有刷直流電機的對比

（1）工作原理的區別

有刷電機采用機械換向，磁極不動(dòng)，線(xiàn)圈旋轉。有刷電機的主要結構就是定子+轉子+電刷，通過(guò)旋轉磁場(chǎng)獲得轉動(dòng)力矩，從而輸出動(dòng)能。電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉動(dòng)中起到導電和換相作用。

無(wú)刷電機采取電子換向，線(xiàn)圈不動(dòng)，磁極旋轉。無(wú)刷直流電機由電機主體和驅動(dòng)器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。無(wú)刷電機通過(guò)霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據這種感知，使用電子線(xiàn)路，適時(shí)切換線(xiàn)圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來(lái)驅動(dòng)電機。

（2）性能的區別

有刷直流電機技術(shù)更為成熟、起動(dòng)響應速度更快，起動(dòng)扭矩更大，運行更平、控制精度更高。直流有刷電機機構簡(jiǎn)單，生產(chǎn)加工容易，在19世紀便得到了廣泛應用，技術(shù)發(fā)展較為成熟。而無(wú)刷直流電機近十幾年才慢慢投入商業(yè)運營(yíng)，技術(shù)較為不成熟。直流有刷電機起動(dòng)響應速度快，起動(dòng)扭矩大，變速平穩，而無(wú)刷電機起動(dòng)電阻大（感抗），起動(dòng)扭矩相對較小。直流有刷電機輸出功率更大，控制精度更高，控制精度可以達到0.01毫米，幾乎可以讓運動(dòng)部件停在任何想要的地方。所有精密機床都是采用直流電機控制精度。

無(wú)刷直流電機干擾更低、噪音更低、壽命更長(cháng)、維護成本更低。相對有刷直流電機，無(wú)刷直流電機去除了電刷，最直接的變化就是沒(méi)有了有刷電機運轉時(shí)產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控無(wú)線(xiàn)電設備的干擾。無(wú)刷電機沒(méi)有了電刷，運轉時(shí)摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會(huì )低許多，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對于模型運行穩定性是一個(gè)巨大的支持。少了電刷，無(wú)刷電機的磨損主要是在軸承上了，從機械角度看，無(wú)刷電機幾乎是一種免維護的電機了，必要的時(shí)候，只需做一些除塵維護即可。

（3）調速方式的區別

實(shí)際上兩種電機的控制都是調壓，只是由于無(wú)刷直流采用了電子換向，所以要有數字控制才可以實(shí)現了，而有刷直流是通過(guò)碳刷換向的，利用可控硅等傳統模擬電路都可以控制，比較簡(jiǎn)單。

04 全球BLDC電機主流制造商（Top 10）

目前BLDC產(chǎn)業(yè)內，排名比較靠前的企業(yè)有ABB、阿美特克（AMTEK）、日本電產(chǎn)、美蓓亞集團、德昌電機、聯(lián)合運動(dòng)技術(shù)公司、保德電子公司、北美電氣公司、施耐德電氣、及雷勃電氣（Regal Beloit Corporation）等。

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圖片來(lái)源：電子發(fā)燒友

ABB

ABB憑借130多年的技術(shù)創(chuàng )新歷史，現已成為電氣化產(chǎn)品，工業(yè)自動(dòng)化和電網(wǎng)，機器人技術(shù)和運動(dòng)領(lǐng)域的全球領(lǐng)導者。它為全球的公用事業(yè)，工業(yè)，運輸和基礎設施領(lǐng)域的客戶(hù)提供服務(wù)。

阿美特克（AMETEK）

阿美特克（AMETEK）是一家世界級組織，致力于通過(guò)獨特的技術(shù)創(chuàng )新為客戶(hù)最復雜的挑戰提供解決方案。AMETEK的子公司AMETEK Advanced Motion Solutions（AMS）總部位于俄亥俄州肯特，提供直流電機，控制器/驅動(dòng)器，風(fēng)扇，泵，精密控制的鼓風(fēng)機和定制工程線(xiàn)性運動(dòng)系統。

日本電產(chǎn)

Nidec Motor是日本領(lǐng)先的工業(yè)用電機，控制設備，家用電器和消費品制造商。該公司在中國，墨西哥，美國和英國擁有多個(gè)生產(chǎn)和銷(xiāo)售基地。

美蓓亞集團

美蓓亞集團在1951年創(chuàng )立于日本，主營(yíng)業(yè)務(wù)軸承等機械加工零部件事業(yè)、精密小型微電機等電子機械設備事業(yè)等，是日本第一間微型、細口徑滾珠軸承專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)家，以此為基礎逐步擴展至機械加工、電子設備加工領(lǐng)域。

德昌電機

德昌電機服務(wù)于各種垂直行業(yè)和業(yè)務(wù)超過(guò)50年，已成為電機，運動(dòng)子系統，執行器和相關(guān)機電組件的全球領(lǐng)導者。特定于應用程序的知識和技術(shù)領(lǐng)先地位是使Johnson Electric成為其行業(yè)世界領(lǐng)導者的關(guān)鍵驅動(dòng)力。該集團提供了當今市場(chǎng)上最大的工程電機和運動(dòng)系統集，這些系統可以標準化用于量產(chǎn)，也可以個(gè)性化以滿(mǎn)足戰略部門(mén)和主要客戶(hù)的需求。

聯(lián)合運動(dòng)技術(shù)公司

聯(lián)合運動(dòng)技術(shù)公司（Allied Motion Technologies）是精密運動(dòng)控制產(chǎn)品和解決方案的領(lǐng)先制造商，以其在電磁，機械和電子運動(dòng)技術(shù)方面的知識而聞名于世。該公司的增長(cháng)戰略著(zhù)眼于通過(guò)利用其專(zhuān)業(yè)知識開(kāi)發(fā)精密運動(dòng)解決方案，從而在選定的目標市場(chǎng)中成為領(lǐng)導者，該解決方案利用各種Allied Motion技術(shù)為客戶(hù)創(chuàng )造更高價(jià)值的解決方案。

保德電子公司

美國保德電子公司于1920年創(chuàng )立，是工業(yè)電機，驅動(dòng)器和機械動(dòng)力傳輸產(chǎn)品的領(lǐng)先營(yíng)銷(xiāo)商，設計師和制造商。

2011年，瑞士ABB公司以42億美元（包括11億美元的債務(wù)）的全現金交易收購了Baldor，Baldor Electric Company作為ABB的美國電機和發(fā)電機業(yè)務(wù)部門(mén)，負責工業(yè)電機，發(fā)電機和機械動(dòng)力傳輸產(chǎn)品的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)，設計，制造和提供服務(wù)。2018年，Baldor Electric Company被合并為ABB，成為ABB汽車(chē)和機械公司。

北美電氣公司

北美電氣公司成立于1993年，致力于制造高性能，高質(zhì)量的電機。同時(shí)也是專(zhuān)用和通用AC電機，控制裝置和軸裝式減速器的批發(fā)供應商。2014年，北美電氣開(kāi)設了NAE電機控制部門(mén)，這使該公司能夠為其廣泛的分銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò )提供完整的自動(dòng)化解決方案。

施耐德電氣

施耐德電氣是法國一家跨國企業(yè)，成立于1836年，全球能效管理和自動(dòng)化領(lǐng)域的專(zhuān)家。其子公司施耐德電氣美國公司是步進(jìn)電機和電子控制系統創(chuàng )新運動(dòng)控制解決方案的公認領(lǐng)導者，并且是MDrive®產(chǎn)品線(xiàn)集成電機驅動(dòng)器的全球領(lǐng)導者。

雷勃電氣

Regal Beloit憑借其高效的電機和動(dòng)力傳動(dòng)系統，在全球能源效率趨勢中處于有利地位。該公司在客戶(hù)需要的地方提供世界一流的產(chǎn)品和服務(wù)，在美國幾乎所有的變速家用HVAC設備中都使用其Genteq品牌的直流電機，而其Marathon電機，Leeson和GE Commercial電機品牌則在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛使用。

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結語(yǔ)：

經(jīng)過(guò)近幾十年的高速發(fā)展，無(wú)刷直流電機在技術(shù)上日益成熟，應用領(lǐng)域幾乎覆蓋所有電機驅動(dòng)的場(chǎng)景，并展現出優(yōu)良特性，深受市場(chǎng)歡迎，未來(lái)很大可能會(huì )取替有刷直流電機在直流電機的主流地位。華秋商城也將致力于為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的BLDC產(chǎn)品，推動(dòng)國內BLDC市場(chǎng)發(fā)展。