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无刷马达（别称：直流无刷电动机，外文名：Brushless DC Motor，BLDC Motor），是一种使用电子换向技术取代传统有刷电机中的机械换向器和碳刷的直流电机，属于三相永磁同步电动机的范畴，是典型的机电一体化产品。无刷马达具有低噪音、高能量效率和耐用性等显著优势。[1][2][3]
1845年英国物理学家惠斯顿申请线性马达专利，经过多位科学家的发明和改进，1962年，直流无刷马达借助霍尔元件问世，而后被广泛应用于多个领域。[4][5]无刷马达主要由定子、转子和位置传感器加电子换相电路三部分组成，转子为永磁体，电枢绕组分布在定子上，通过电子换相使定子产生的磁场和转子的磁场始终保持垂直，从而产生转矩带动转子旋转。[6]
无刷马达可以从电机结构、驱动方式、冷却方式等方面进行分类，相比于有刷马达，无刷马达具有无磨损、高效、控制灵活等优势，广泛运用于工业自动化、医疗器械、航空航天等领域。[3]
研发历程
1845年，英国物理学家惠斯顿申请了线性马达的专利。1902年，瑞典工程师丹尼尔森利用特斯拉感应马达的旋转磁场观念，发明了同步马达。1923年，苏格兰人James Weir French发明三相可变磁阻型步进马达。1962年，借助霍尔元件，实用的直流无刷马达问世。[4]之后，直流无刷马达发展迅速，被广泛地应用于汽车工业、航空和工业自动化等领域。[5]
名称释义
无刷马达是一种使用电子换向技术取代传统有刷马达中的机械换向器和碳刷的直流无刷马达。[1][3][注1]
产品结构
无刷马达主要由定子、转子和位置传感器加电子换相电路三部分组成。转子为永磁磁钢，电枢绕组分布在定子上，通过位置传感器和电子开关电路（电子换相）使定子产生的磁场和转子的磁场始终保持垂直，从而产生最大转矩帶动转子旋转。[6]
调速控制
无刷马达调速和控制与直流电动机一样，当U变化时即改变no，电动机可以进行无级调速，把检测到的端电压信号送到DSP，计算出电动机的转速，再与给定的转速比较输出pwm信号，控制开关管的通断，从而控制电动机电流 （电压）大小，使得电动机的转速发生变化，其调速原理是通过电子开关把交变的方波电流送入定子绕组，由开关频率的变化引起电动机转速的变化。[7]
霍尔电压和磁通密度以及霍尔电流成正比， 当转子的磁轴与霍尔元件同轴时，磁通较小。为了维持固定的霍尔电压，就必须增大霍尔电流。需要准确算出定子激磁顺序与时间。霍尔元件与直流马达，当转子磁轴与霍尔元件同轴时，霍尔元件和S极距离最短，由此磁通密度最高，此时造成霍尔元件A端子电压较大，致使电晶体Q1导通，则线圈L1内有i1电流流通，因此线圈L1呈激磁状态，依据右手定则原理，线圈L1右侧为S极，因此转子反转。当转子S极远离霍尔元件时造成磁通密度降低， 因此A、B端再产生霍尔电压电晶体Q1与Q2呈OFF状态，转子受到惯性的作用继续反转。当转子N极转至霍尔元件时，就造成霍尔元件B端子电压较大，使得电晶体Q2导通，则线圈L2内有i2电流流通，由此线圈L2呈激磁态，转子再受磁作用反转，依照如此顺序转子持续转动。[8]
运转特性
无刷马达以自控式运行，不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生震荡和失步。这种稳定性使其在工业自动化、家用电器和无人机等领域得到广泛应用，其自控特性还能有效降低能耗并延长设备使用寿命。[1]
控制器
无刷马达控制器包括可以连接至外部无刷马达的一个或多个转子位置检测器的微控制器，以及可以连接至外部无刷马达的多个绕组的多个马达驱动电路。微处理器连接至多个马达驱动电路，微处理器适于根据外部无刷马达的理想速度，输出第一马达控制讯号以及第二马达控制讯号的其中之一者至多个马达驱动电路，以驱动外部无刷马达。第一以及第二马达控制讯号具有不同的波形形状。[9]
结构划分
无刷马达按照电机结构划分为内转子无刷马达和外转子无刷马达。[3]
相数划分
无刷马达按相数可划分为三相无刷马达和多相无刷马达。[3]
| 名称 | 简介 | 应用 |
|---|---|---|
| 三相无刷马达 | 定子绕组分为三相，通过电子换向器按顺序给各相绕组通电，形成旋转磁场驱动转子。三相无刷马达运行平稳，效率高 | 广泛应用于各种工业设备和消费电子产品中 |
| 多相无刷马达 | 除了常见的三相外，还有四相、五相甚至更多相的无刷马达。多相马达通常具有更高的扭矩密度、更平滑的运行特性以及更高的可靠性 | 适用于精密控制和高动态性能要求的应用，如航空航天、机器人等 |
| 参考资料[3] | ||
驱动方式
无刷马达按驱动方式划分方波驱动无刷马达和正弦波驱动无刷马达。[3]
冷却划分
无刷马达按冷却方式划分自然冷却无刷马达与强迫风冷无刷马达和液体冷却无刷马达。[3]
| 名称 | 简介 | 应用 |
|---|---|---|
| 自然冷却无刷马达 | 依靠马达表面与周围空气的自然对流进行散热 | 适用于功率较低、工作环境温度适宜的场合 |
| 强迫风冷无刷马达 | 内置风扇或借助外部风扇强制对马达进行吹风冷却，提高散热效率 | 适用于功率较大、连续工作时间长或工作环境温度较高的应用 |
| 液体冷却无刷马达 | 通过冷却液循环系统对马达内部进行冷却，散热效果好 | 适用于高功率密度、高工作温度或对温度控制要求严格的场合，如电动汽车驱动电机 |
| 参考资料[3] | ||
编码器划分
无刷马达按编码器类型划分无传感器无刷马达和有传感器无刷马达。[3]
| 名称 | 简介 | 应用 |
|---|---|---|
| 无传感器无刷马达 | 不使用霍尔传感器或编码器，通过软件算法（如反电动势法、模型预测法等）估算转子位置，简化马达结构，降低成本 | 适用于对成本敏感、空间受限或对电机初始定位要求不高的应用 |
| 有传感器无刷马达 | 使用霍尔传感器或光电编码器等位置传感器精确检测转子位置，提供精确的马达控制 | 适用于对控制精度、动态性能要求较高的应用，如伺服系统、无人机等 |
| 参考资料[3] | ||
产品优势
无刷马达具有无磨损、高效、控制灵活等优势。无刷马达没有碳刷和机械换向器，避免因摩擦产生的损坏，从而提高了电机的使用寿命和可靠性。无刷马达没有电刷电阻的损耗，并且磁场控制更为精确，使得马达效率高于有刷马达。无刷马达不用更换碳刷，可以降低维护成本和时间。无刷马达在高速运行时能保持较高效率和扭矩，适用于高速运转领域。然后，无刷马达可以通过电子换向器以实现精确的速度控制、转矩控制和宽范围调速，适用于精密控制场合。最后，无刷马达没有机械换向器运行时的摩擦和火花，运行噪声低。[3]
应用领域
无刷马达因为具有优异性能，广泛应用于各类需要精确控制、高效节能等领域。[3]
构成不同
有刷马达又称直流电机或碳刷电机，它采用机械转向，外部碰极不动內部线圈 (电枢) 动，转向器和转子线圈一起旋转，电刷和磁铁都不动。由转向器和电刷摩擦，完成电流方向的切换，有刷马达在机械换向时会产生火花，换向器和电刷摩擦产生电磁干扰，噪声大，寿命短。[10]
无刷马达采用电子换向（霍尔传感器），线圈（电枢）不打磁极动，永磁铁可以在线圈外部也可以在线圈內部，于是有了外转子无刷马达和内转子无刷马达之分，无刷马达构造与永磁同步电机相同。[10]
控制不同
有刷马达通过调节电压，串联电阻，改变励磁都可以调速，但是实际以调节电压最为方便也最为常用，目前主要使用pwm调速。无刷马达调速的时候表面上只控制了输入电压，但马达的自控变频调速系统（无刷马达本身自带转子位置检测器等转子位置信号获取装置，使用此装置的转子位置信号来控制变压变频调速裝置的换相时刻）自动根据变压控制了频率。[10]
适用不同
无刷马达经常被使用在控制要求比较高，转速比较高的设备上。有刷马达一般用在通常动力设备，如吹风机，家用的抽油烟机。[11]
参考资料 11
- 参考 1
- 参考 2
- 【无刷电机】含义、原理、优势，什么产品需要用到无刷电机 — weixin
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- http://book.wxgjgx.zjlib.cn/views/specific/2929/patentDetail.jsp?dxid=166021519856&d=47AB6959704C868D79B30BED892AF49C
- 参考 10
- 参考 11
注释
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