什么是无刷直流电机?控制、应用和类型

作者:Jeremy Cook

无刷直流电机 (BLDC) 的优点和用途

BLDC(无刷直流电机)与传统的“有刷”电机相比,具有许多优势。无刷电机用于无人机、电动工具、消费品、包装设备、电器、医疗应用等。在本帖文中,我们将探讨 BLDC 电机与其他电机技术相比的相对优势和劣势。我们还将了解它们的用途以及使用方式。

什么是 BLDC 电机?

无刷直流电机按顺序为电机定子(固定部分)的电磁线圈通电,从而对电机转子(旋转部分)上的永磁体产生作用力。定子线圈必须由专门的驱动器以不同的电方向以及因此产生的磁方向以特定模式通电。在负载和速度相同的情况下,BLDC 电机的运行效率明显高于有刷直流电机

执行此模式要求驱动器在任何给定时间都知道转子的位置。BLDC 电机采用闭环控制,通常通过霍尔效应传感器或检测反电动势来实现。通过改变线圈序列的速度,可以高精度控制旋转输出。BLDC 电机与步进电机有一些相似之处,但 BLDC 针对高速进行了优化,而使用开环设置的步进电机则针对精确定位进行了优化。

BLDC 电机的类型

BLDC 电机有两种主要类型:内转子电机和外转子电机。

  • 外转子 BLDC 的外部为永久磁铁,随着输出轴的转动而移动。对于给定尺寸,BLDC 通常比内转子电机具有更大的扭矩,并且以较低的速度运行。电磁体布置在内部定子部分。它们的散热效果不如内转子电机,且外壳也不能提供同样的保护来免受外界因素的影响。
  • 内转子 BLDC 将电磁体布置在固定的外壳内,而永磁体位于内部转子上。内转子通常比外转子旋转得更快,在给定尺寸下产生的扭矩更低。由于电磁线圈直接安装在外壳上,内转子电机具有更好的保护和散热优势。

当磁铁转动时,内转子和外转子的电磁部分保持静止。这与传统的直流电机不同,在传统直流电机中,当电磁部分旋转时,磁体保持静止(固定在外壳上)。另一个根本区别是,与基于霍尔效应传感器或反电动势的定时线圈激励不同,有刷直流电机使用物理电刷,以“机械编程”的顺序传输电力。

有刷直流电机相对于无刷直流电机的一大优势是价格低廉且易于使用;只需连接到适当电压的直流电源即可。然而,缺点包括效率较低、电刷因摩擦而磨损以及产生火花。与 BLDC 电机相比,有刷直流电机的输出控制也更少。它们没有内置反馈,改变电压输入是修改输出转速和扭矩的唯一方法。

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BLDC 电机是步进电机、交流电机还是其他什么独特的电机?

无刷直流电机以快速有序步进旋转,因此很容易将这种旋转装置归入步进电机类别。如前所述,实际差异在于 BLDC 通常设计用于高速运行,而步进电机则用于精密定位。如果您需要电机以每分钟几千转的速度转动,BLDC 是比步进电机更合适的选择。

与此同时,如果您需要电机精确地来回转动一周的几分之一,则步进电机的表现非常不错。例如 CNC 路由器和 3D 打印机经常在步进电机控制下运行数小时,且每一步都保持完美同步。伺服电机使用传感器反馈来确定电机的行程距离,也是精确定位的好选择。

鉴于 BLDC 电机结合了步进电机和伺服电机的操作原理,因此认为 BLDC 是一个完全独特的系统非常正确。凭借出色的速度性能和效率、集成反馈和低维护成本,BLDC 电机是各种自动化项目的理想选择。

交流电源输入的 BLDC 与 PMSM

BLDC 电机是直流设备,但交流模拟被称为永磁同步电机 (PMSM)。这种类型的电机不是控制每个线圈的直流电源,而是使用带变频驱动的交流输入源来控制电机速度。PMSM 通常比 BLDC 电机效率更高,产生的扭矩更大,通常用于电动汽车。虽然与 BLDC 电机不是一回事,但在许多情况下,PMSM 是一个很好的替代品。

BLCD 控制方法

利用专用传感器或反电动势提供的旋转信息,BLDC 控制可以通过以下三种方法之一来实现:梯形、正弦和磁场定向控制 (FOC)。

梯形控制是为 BLDC 供电的最简单方法,按顺序为每个相位通电。线圈在高电平或低电平状态下通电,也可保持浮动状态。虽然广泛适用,但这往往不如使用更先进的技术有效,并且产生听得见的噪音。

正弦控制使用可变占空比 PWM 技术激励每个 BLDC 线圈,对模拟输出进行模拟。这允许在状态之间进行更平滑的转换,使用查找表来确定正确的信号。线圈通常以鞍形模式通电,而不是纯正弦输出。

磁场定向控制 (FOC) 的工作原理类似于可变输出正弦控制,但在计算电压输入时也考虑了电机不断变化的绕组电流。FOC 可以产生恒定的扭矩和速度,噪音低,是驱动 BLDC 电机的最有效方式。

BLDC 电机应用

如今,BLDC 电机技术在无人机系统中得到广泛应用,在该系统中,协调四个或更多能够实现高速、高效和低维护的旋翼至关重要。我们也看到它们越来越多地集成到电动工具中,尽管 BLDC 型号通常会比有刷的同类产品具有显著的价格溢价。洗衣机和干衣机等电器包括 BLDC 电机,以及一些风扇和水泵。

其他应用包括个人电脑上的小型冷却风扇,通常由 BLDC 电机提供动力。精确旋转的磁性/光学介质(硬盘驱动器和 CD/DVD/蓝光播放器)也采用这种技术。广义而言,其他应用包括电动汽车(包括电动自行车)、包装设备和医疗器械。

开始使用无刷直流电机

鉴于 BLDC 电机技术的显著优势,在不久的将来,我们很可能看到该技术的应用越来越多。期待最先进的 FOC 方法的进一步使用,以提高电机效率和功率输出,并获得更强大的驱动器。

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