（一）

无刷电机究竟隐藏在日常生活的何处？

       无刷电机一词可能很少有伙伴在生活中听说过，但我们的日常生活里却无处不见它的身影。这篇文章就带领大家来看看无限电机到底隐藏在生活的哪个角落里吧！

1、厨房用具

厨房里到处都是电器的踪迹，家用的无刷直流电动机更是琳琅满目。比如搅拌机、榨汁机、咖啡机、打蛋器、电饭煲、食品加工机、谷物研磨机、立式搅拌机、碎肉机、电动切割刀等家电。

2、白色家电

白色家电，指可以替代人们家务劳动的电器产品，包括能减少人们的家务压力的洗衣机洗碗机，以及丰富生活环境，改善生活质量的空调冰箱。而空调，冰箱，微波炉散热扇，吸油烟机，洗碗机，洗衣机热水泵等内部都有无刷电机。

3、智能家居

在使用家居设备的时候，也可以使用直流无刷电机，比如使用排气扇，电暖器等等。还有循环风扇，增湿器，抽湿器，空气清新器，冷风机，皂液器，烘手机，智能门锁，电动门，窗，窗帘等。这些智能家庭的产品品质上是有保证的。

地板也是家庭清洁和清洁的主要场所和对象，各种电动地板清洁产品也在不断增加，如：地毯清洁机、电动吸尘器、手持式吸尘器、地板打磨机等。

家居智能化正在逐步成为一个时代的趋势。目前国内的硅基动力也正致力于智能家具的无刷电机改进以及整套微动力系统的驱动。其主要研发领域涵盖了风扇类、清洁类、智能家居类、人体辅助类。

无刷电机除了是家务小能手外，在其他高新科技领域的用处也颇多。

4、电机数码领域

电子数码领域是无刷电机普及最为广泛、数量最大的领域，比如我们生活中常见的打印机、传真机、复印机、磁带记录仪等等，在它们的主轴和附属运动的带动控制中，都要有无刷电机从中协助。

5、医疗设备领域

在国内，手术中使用的高速离心机、热像仪等都使用了无刷电机。

6、汽车领域

       一辆普通的家用轿车需要永磁电机20~30个，除了核心的发动机之外，像雨刷器、汽车空调、电动车窗等都有电机的身影，随着现在技术的越来越成熟，相信汽车领域以后运用到的无刷电机将会越来越多。

       总而言之，生活中对无刷电机的实际应用无处不在。在不久的未来无刷电机会为群众的生活便利做出更多的贡献。

（二）

无刷电机工作原理

励磁无刷电机结构原理

不过显然模界中的无刷电机与这个励磁电机并不是同一个东西，那么我们常用的无刷电机里面究竟有些什么技术、如何解释那些专业名词、以及各种参数和设备之间究竟有什么区别和联系呢？今天就带大家全面了解一下模界常用的无刷电机。无刷电机的基本概念

根据电机的结构和工作原理，我们可以将电机分为有刷电机、内转子无刷电机和外转子无刷电机。

有刷电机：我们也称为直流电机或者碳刷电机，是历史最悠久的电机类型，也是目前数量最多的电机类型。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。这种电机具有造价相对较低、扭力高、结构简单、易维护等优点。不过由于结构限制，所以缺点也比较明显：1、机械换向产生的火花引起换向器和电刷摩擦、电磁干扰、噪声大、寿命短。2、结构复杂、可靠性差、故障多，需要经常维护。3、由于换向器存在，限制了转子惯量的进一步下降，影响了动态性能。所以在模界主要应用于速度较慢和对震动不敏感的车模、船模上面，航模很少采用有刷电机。

无刷电机：这是模界中除了有刷电机以外用的最多的一种电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置，采用方波自控式永磁同步电机，以霍尔传感器取代碳刷换向器，以钕铁硼作为转子的永磁材料，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势。具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速等优点，至于缺点嘛……就是比有刷的贵、不好维护，广泛应用于航模、高速车模和船模。

不过，单个的无刷电机不是一套完整的动力系统，无刷基本必须通过无刷控制器也就是电调的控制才能实现连续不断的运转。普通的碳刷电机旋转的是绕组，而无刷电机不论是外转子结构还是内转子结构旋转的都是磁铁。所以任何一个电机都是由定子和转子共同构成的。

无刷电机的定子是产生旋转磁场的部分，能够支撑转子进行旋转，主要由硅钢片、漆包线、轴承、支撑件构成；而转子则是黏贴钕铁硼磁铁，在定子旋转磁场的作用进行旋转的部件，主要由转轴、磁铁、支持件构成。除此之外，定子与转子组成的磁极对数还影响着电机的转速与扭力。

无刷电机的结构

无刷电机的前盖、中壳、后盖主要是整体结构件，起到构建电机整体结构的作用。但是外转子无刷电机的外壳同时也是磁铁的磁路通路，所以外壳必须是导磁性的物质构成。内转子的外壳只是结构件，所以不限定材质。但是内转子电机比外转子电机多一个转子铁芯，这个转子铁芯的作用同样也是起到磁路通路的作用。

磁铁：是安装在转子上，是无刷电机的重要组成部分，无刷电机的绝大部分性能参数都与磁铁相关，包括功率、转速、扭矩等。

硅钢片：是有槽无刷电机的重要组成部分，当然，无槽无刷电机是没有硅钢片的，但是目前绝大多数的无刷电机都是有槽的。它在整个系统中的作用主要是降低磁阻、参与磁路运转。

转轴：是电机转子的直接受力部分，转轴的硬度必须能满足转子高速旋转的要求。

轴承：是电机运转顺畅的保证，轴承可以分为滑动轴承和滚动轴承，而滚动轴承又可以细分为深沟球轴承、滚针轴承和角接触轴承等十大类，而目前大多数的无刷电机都是采用深沟球轴承。

直流无刷电机的工作原理

直流无刷电机动力系统由转子、定子和位置传感器三部分等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型采用磁敏式位置传感器的直流无刷电动机，其磁敏传感器件(例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等)装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。采用光电式位置传感器的直流无刷电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等)，当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位置而变化)。简单而言，直流无刷电机就是依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心全转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了，电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系，因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相交流电，还需要从遥控器接收机那里接收控制信号，控制电机的转速，以满足模型使用需要。总的来说，无刷电机的结构是比较简单的，真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器（也就是电调），好的电调需要有单片机控制程序设计、电路设计、复杂加工工艺等过程的总体控制，所以一般来说价格要比无刷电机高出很多。

首先给大家复习几个基础定则：左手定则、右手定则、右手螺旋定则。别懵逼，我下面会给大家解释。

左手定则，这个是电机转动受力分析的基础，简单说就是磁场中的载流导体，会受到力的作用。

左手定律 

          让磁感线穿过手掌正面，手指方向为电流方向，大拇指方向为产生磁力的方向，我相信喜欢玩模型的人都还有一定物理基础的哈哈。

       右手定则，这是产生感生电动势的基础，跟左手定则的相反，磁场中的导体因受到力的牵引切割磁感线产生电动势。

右手定则

让磁感线穿过掌心，大拇指方向为运动方向，手指方向为产生的电动势方向。为什么要讲感生电动势呢？不知道大家有没有类似的经历，把电机的三相线合在一起，用手去转动电机会发现阻力非常大，这就是因为在转动电机过程中产生了感生电动势，从而产生电流，磁场中电流流过导体又会产生和转动方向相反的力，大家就会感觉转动有很大的阻力。不信可以试试。

三相线分开，电机可以轻松转动

三相线合并，电机转动阻力非常大

右手螺旋定则，用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方

   向一致，那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。

这个定则是通电线圈判断极性的基础，红色箭头方向即为电流方向。

看完了三大定则，我们接下来先看看电机转动的基本原理。

第一部分：直流电机模型

我们找到一个中学物理学过的直流电机的模型，通过磁回路分析法来进行一个简单的分析。

状态1

当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度B（如粗箭头方向所示），而中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。

当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大。注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大。诚然，在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为0，当然也就不会转动了。补充一句，力矩是力与力臂的乘积。其中一个为零，乘积就为零了。

当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动，

状态2

如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作，就叫做换相。补充一句：何时换相只与转子的位置有关，而与其他任何量无直接关系。

第二部分：三相二极内转子电机

一般来说，定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最为常用，这里就用该模型来做个简单分析。

上图显示了定子绕组的联结方式（转子未画出假想是个二极磁铁），三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A, B, C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB, AC, BC, BA, CA, CB注意这是有顺序的。

       下面我看第一阶段：AB相通电

当AB相通电，则A极线圈产生的磁感线方向如红色箭头所示，B极产生的磁感线方向如图蓝色箭头所示，那么产生的合力方向即为绿色箭头所示，那么假设其中有一个二极磁铁，则根据“中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致”则N极方向会与绿色箭头所示方向重合。至于C，暂时没他什么事。

       第二阶段：AC相通电

第三阶段：BC相通电

第三阶段：BA相通电

为了节省篇幅，我们就不一一描述CACB的模型，大家可以自己类推一下。以下为中间磁铁（转子）的状态图：

每个过程转子旋转60度

六个过程即完成了完整的转动，其中6次换相。

第三部分：三相多绕组多极内转子电机

      我们再来看一个复杂点的，图(a)是一个三相九绕组六极（三对极）内转子电机，它的绕组连线方式见图 (b)。从图(b)可见，其三相绕组也是在中间点连接在一起的，也属于星形联结方式。一般而言，电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的（比如用9绕组6极，而不是6绕组6极），这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸对齐。

其运动的原则是：转子的N极与通电绕组的S极有对齐的运动趋势，而转子的S极与通电绕组的N极有对齐的运动趋势。

即为S与N相互吸引，注意跟之前的分析方法有一定的区别。

好吧，还是再帮大家分析一下吧，

第一阶段：AB相通电

第二阶段：AC相通电

第三阶段：BC相通电

第四阶段：BA通电

第五阶段：CA通电

第六阶段：CB通电

以上为六个不同的通电状态，其中经历了五个转动过程。每个过程为20度。

第四部分：外转子无刷直流电机

       看完了内转子无刷直流电机的结构，我们来看外转子的。其区别就在于，外转子电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片，贴到了外壳上，电机运行时，是整个外壳在转，而中间的线圈定子不动。外转子无刷直流电机较内转子来说，转子的转动惯量要大很多（因为转子的主要质量都集中在外壳上），所以转速较内转子电机要慢，通常KV值在几百到几千之间。也是航模主要运用的无刷电机

       顺便啰嗦一下吧。无刷电机KV值定义为：转速/V，意思为输入电压每增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。比如说，标称值为1000KV的外转子无刷电机，在11伏的电压条件下，最大空载转速即为：11000rpm（rpm的含义是：转/分钟）。

同系列同外形尺寸的无刷电机，根据绕线匝数的多少，会表现出不同的KV特性。绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，扭力大；绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，扭力小。我先前测试过穿越机2204电机的极限电流，单电机能彪上25A，而2212系列电机15A都上不了。

外转子无刷直流电机的结构：

       分析方法也和内转子电机类似，大家可以自己分析一下，根据右手螺旋定理判断线圈的N/S极，转子永磁体的N极与定子绕组的S极有对齐（吸引）的趋势，转子永磁体的S极与定子绕组的N极有对齐（吸引）的趋势，从而驱动电机转动。

       经典无刷电机2212 1000kv电机结构分析。

图为2212电机的（解剖图）

其结构如下：定子绕组固定在底座上，转轴和外壳固定在一起形成转子，插入定子中间的轴承。

图为xxd2212线圈拆解图

图为12绕组14极（即7对极），电机绕组绕发图。

后面画出了6种两相通电的情形，可以看出，尽管绕组和磁极的数量可以有许多种变化，但从电调控制的角度看，其通电次序其实是相同的，也就是说，不管外转子还是内转子电机，都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的顺序进行通电换相。当然，如果你想让电机反转的话，电子方法是按倒过来的次序通电；物理方法直接对调任意两根线，假设A和B对调，那么顺序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA，大家有没有发现这里顺序就完全倒过来了。

AB相通电

AC相通电

BC相通电

BA相通电

CA相通电

CB相通电

要说明一下的是，由于每根引出线同时接入两个绕组，所以电流是分两路走的。这里为使问题尽量简单化，下面几个图中只画出了主要一路的电流方向，还有一路电流未画出，另一路电流的具体情况放在后面进行分析，涉及到电路检测换相位置。

无刷电机中的专业名词

额定电压：也就是无刷电机适合的工作电压，其实无刷电机适合的工作电压非常广，额定电压是指定了负载条件而得出的情况。例如说，2212-850KV电机指定了1045螺旋桨的负载，其额定工作电压就是11V。如果减小负载，例如带7040螺旋桨，那这个电机完全可以工作在22V电压下。但是这个工作电压也不是无限上升的，主要受制于电子控制器支持的最高频率。所以说，额定工作是由工作环境决定的。KV值：有刷直流电机是根据额定工作电压来标注额定转速的，无刷电机引入了KV值的概念，而让用户可以直观的知道无刷电机在具体的工作电压下的具体转速。实际转速=KV值*工作电压，这就是KV的实际意义，就是在1V工作电压下每分钟的转速。无刷直流电机的转速与电压呈正比关系，电机的转速会随着电压上升而线性上升。例如，2212-850KV电机在10V电压下的转速就是：850*10=8500RPM(RPM，每分钟转速)。转矩：(力矩、扭矩)电机中转子产生的可以用来带动机械负载的驱动力矩，我们可以理解电机的力量。转速：电机每分钟的转速，一般用RPM表示。 最大电流：电机能够承受并安全工作的最大电流最大功率：电机能够承受并安全工作的最大功率 功率=电压*电流无刷电机功率和效率我们可以简单的理解为电机输出功率=转速*扭矩，在同等的功率下，转矩和转速是一个此消彼长的关系，即同一个电机的转速越高，必定其转矩越低，相反也依然。不可能要求个电机的转速也更高，转矩也更高，这个规律通用于所有电机。例如：2212-850KV电机，在11V的情况下可以带动1045桨，如果将电压上升一倍，其转速也提高一倍，如果此时负载仍然是1045桨，那该电机将很快因为电流和温度的急剧上升而烧毁。每个电机都有自己的力量上限，最大功率就是这个上限，如果工作情况超过了这个最大功率，就会导致电机高温烧毁。当然，这个最大功率也是指定了工作电压情况下得出的，如果是在更高的工作电压下，合理的最大功率也将提高。这是因为：Q=I2R，导体的发热与电流的平方是正比关系，在更高的电压下，如果是同样的功率，电流将下降导致发热减少，使得最大功率增加。这也解释了为什么在专业的航拍飞行器上，大量使用22.2V甚至30V电池来驱动多轴飞行器，高压下的无刷电机，电流小、发热小、效率更高。经常有人问：2208 1000KV和2216 1000KV有什么不同，都是1000KV，不是都一样吗呵呵，差别可大了。在电机直径、KV值都一样的情况下，电机更高的电机自然功率越大，功率越大的电机自然能够带动的负载越大。好比一个男人100斤，一个男人160斤，你让他们去背一袋50斤的大米，100斤的男人虽然说稍稍有点吃力但也能背，160斤的男人觉得是小菜。但，如果是让他们背两袋米呢160斤的男人咬咬牙也背起来了，100斤的男人恐怕腰都直不起来，这就是他们的差异。对于电机来说，工作越轻松，效率越高，利用前面的理论就是，铁耗也低铜耗也低。

记住这个公式（划重点）：扭矩与电流的平方成正比

随着电机工作的越来越累，它的效率会迅速的降低。所以说选择多轴电机，必须选择合适功率电机以及与他搭配的螺旋桨，让电机工作在相对轻松的状态，一般来说悬停时工作功率是最大功率的30-45%之间比较好。不可小牛拉大车，也不能大牛拉小车。无刷电机电压与效率的关系先上两个公式：1、功率=电压*电流2、发热量=电流的平方*电阻由公式得出两个结论：在同功率下，电压越高电流越小，并推出：在同功率下，电压越高发热量越小。最后得出结论：同一个飞行器，使用的电压越高，电流越小并且发热越少，效率越高。现在知道为什么高压电线要上100KV甚至220KV、550KV(这个KV是千伏)的高电压了吧。当然，飞行器是需要电池进行驱动的，准确的说是锂电池，锂电池的片数自然取决于电池的大小，越大的电池自然能做的越高电压。所以在电压这方面，其实我们能做的并不多，因为市场上的电池很多都是系列化的，比如说450这样的机型，你可以去找450直升机的6S电池，但是价格很高，而且需要的电调价格也要高一些。所以在电压这方面我们应该做的就是：尽量避免大机型用低压电池，那样会造成工作电流相对高一些，从而铜耗较大。同时，也要避免小型飞机用高压电池，那样电池的重量太大。关于无刷电机的磁极对数

磁场的旋转速度又称同步转速，它与三相电流的频率和磁极对数p有关。若定子绕组，在任一时刻合成的磁场只有一对磁极(磁极对数p=1)，即只有两个磁极，对只有一对磁极的旋转磁场而言,三相电流变化一周,合成磁场也随之旋转一周，如果是50hz的交流电，旋转磁场的同步转速就是50转/秒或3000转/分，在工程技术中，常用转/分（r/min）来表示转速。如果定子绕组合成的磁场有两对磁极(磁极对数p=2)，即有四个磁极，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间旋转180度，由此可以推广得出：p对磁极旋转磁场每分钟的同步转速为n=60f/p。当磁极对数一定时，如果改变交流电的频率，则可改变旋转磁场的同步转速，这就是变频调速的基本原理。由于电机的磁极是成对出现的，所以也常用极对数表示。

关于无刷电机的磁铁

模界的无刷电机几乎100%用的“磁王”——钕铁硼磁铁，用磁王来形容钕铁硼磁铁是当之无愧的，钕铁硼磁铁是我们生活中常见的黑乎乎的铁氧体磁铁磁性的3倍！当然了，价格更是铁氧体磁铁的10倍以上。无刷电机终归属于永磁电机，而永磁电机的功率、特点等特性完全取决于磁铁。基本可以说吧，磁铁的体积与牌号决定了电机的最大功率。

另外还有磁铁形状上的差异，如果拆开一些廉价的电机你就会有一个发现，绝大部分的磁铁形状都是方片行。方片形的磁铁加工简单，价格相对便宜，自然成了追求成本电机的最佳选择。而很多品牌电机选择了弧形磁铁，弧形可以保证磁铁和硅钢片的气隙一直保持一致，似乎功率上和效率上都胜过了方形磁铁一筹。但是，在拆开一些电机也发现了被称之为面包型的磁铁，他们能够和铁壳完整的贴合在一起，和硅钢片的距离却是和方形磁铁一样，都不是一致的。关于这种磁铁，在请教了一些业内人士，他们确信这种磁铁比弧形磁铁效果还要更佳，在此不做结论。不过还有一种情况采用方形磁铁其实也是可以的，在多槽数多极数的无刷电机（比如说36槽42极电机），基本都是采用了方形磁铁，这是因为铁壳直径很大，方形磁铁也能很好的和铁壳粘合，并且和硅钢片的气隙也很均匀。关于无刷电机的硅钢片

其实初中读电磁学的时候，我经常想的问题是，电机为什么需要硅钢片呢不是说通电的导体在磁场中就能产生作用吗那为什么还需要硅钢片呢。后来我想了很久很久终于得出一个结论，那就是搞设计的人不会比你傻!空气是弱导磁的，但铁是导磁的，硅钢片的作用就是把磁铁的磁路引导过来并形成回路，这就需要电机磁阻(大家把它等同理解为电阻即可)比较小。但是大家都看见了，为什么定子上面怎么都是一片一片构成的呢大家知道电磁炉的原理吗为什么铁锅放上电磁炉上面就会发热其实这就是因为-----类似于铁的材料放在快速变化的电磁场中(大家想想交流电吧，那个电是瞬间飞来飞去，不像直流电永远是正极到负极)会产生涡流损耗而发热，并且频率越高发热量越大。硅钢片处在电机的旋转磁场当中，就是和那放在电磁炉上的铁锅一样遇到了同样的问题，解决的办法就是往钢里添加硅并且做成薄片，理论上越薄的硅钢片产生的涡流损耗就越小。所以大家是不是明白了普通的固定翼电机大都是比较厚的0.35MM硅钢片，而直升机和涵道机电机大都是用0.2MM硅钢片的原因呢电机转速越快，磁场变化越快，那涡流损耗就越大。现在大多数的多轴电机都使用了0.2MM单片的硅钢片，这样做成的电机铁耗就会更低。相关小知识：为什么高KV电机在全油门空转的情况下下会发热很厉害呢答案是：产生热量的不是铜线，因为此时通过的电流很小。产生热量的正是涡流损耗和磁滞损耗，因为此时电机完全空载，转速比较高，涡流损耗大，而所有的损耗最后都变成了热量。

关于无刷电机使用与保养

直流无刷电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品，并在多个领域中都得到广泛的应用。用户在使用直流无刷电机时有一些问题也是需要注意的，那么具体使用直流无刷电机要注意什么呢(1)在拆卸前，要用压缩空气吹净电机表面灰尘，并将表面污垢擦拭干净。(2)选择电机解体的工作地点，清理现场环境。(3)熟悉电机结构特点和检修技术要求。(4)准备好解体所需工具(包括专用工具)和设备。(5)为了进一步了解电机运行中的缺陷，有条件时可在拆卸前做一次检查试验。为此，将电机带上负载试转，详细检查电机各部分温度、声音、振动等情况。

（三）

直流无刷电机的工作原理

电机将供应的电能转换为机械能。常用的电机类型很多，其中，无刷直流电机(BLDC)因为高效率及优异的可控性，而广泛用于各种应用中。相对于其他类型的电机，BLDC电机具有省电的优势。

当工程师面临设计电气设备以执行机械工作的挑战时，可能会思考如何将电信号转换为动能。而驱动器及电机就是能将电信号转换为运动的装置，使加诸于电机上的电能转换为机械能。

常见的电机类型

有刷电机工作示意图

电机类型以电源类型（交流或直流）及其产生旋转的方法（如上图所示）而有所不同。以下将简要说明各类电机的特性及用途。

有刷直流电机是最简单的一种电机。在这种电机中，电流通过放置在固定磁场内的线圈时，于线圈周围产生磁场，由于每个线圈都被固定磁场的同性磁极推开并受到异性磁极的吸引，使线圈组件旋转。为保持旋转状态，必须使电流不断的反向，让线圈的极性连续翻转，使线圈不断「追逐」异性的固定磁极。藉由使固定的导电刷与旋转的换向器(commutator)接触，供电给线圈，而换向器的旋转造成了通过线圈的反向电流。换向器及电刷是区别有刷直流电机与其他种类电机的关键元件。

有刷直流电机设计简单且容易控制，广泛用于打开与闭合光碟托盘。在汽车中，经常用以降下、升起及定位电动车窗。这些电机成本低，故适合许多应用。但缺点是电刷及换向器因为持续接触而容易较快磨耗，需要频繁更换及定期维护。

步进电机由脉冲驱动，随着每一个脉冲旋转至特定的角度（步进）。由于以接收到的脉冲数量准确地控制旋转，这些电机广泛用于位置调整。举例来说，其经常用于传真机和印表机的进纸控制，因为这些装置按照固定的段数进纸，能轻松地关联至脉冲计数。而由于电机会在脉冲讯号中断后立即停止旋转，故亦能轻松进行暂停控制。

由于同步电机的旋转频率与供应的电流频率相同。这类电机经常用于驱动微波炉内的转盘，利用电机单元中的减速机取得适当的转速来加热食物。然而感应电机的转速亦会随频率而改变，但并非同步移动。这种电机过去经常用于电风扇和洗衣机内。

还有许多常用的电机类型。

直流无刷电机（简称为 BLDC 电机）——虽然挂着“直流”的名号——实际上是一种三相电流同步电机：转子跟随旋转磁场运转，其运动与施加在绕组上的交流电压同步。这种电机类型之所以通常被称为“无刷直流电机”是因为，在许多应用中，该电机可以替换有刷直流电机（有刷直流或换向器式电机）。在有刷直流电机中，施加直流电压后，电机中的机械逆变器（电刷）会产生与转速无关的交流电。

配合电子驱动控制器（取代电刷的功能并将馈入的直流电转换为交流电），BLDC 电机可以实现与有刷直流电机相当的性能，而无需使用寿命有限的电刷。因此，BLDC 电机也被称为 EC（电子换向）电机，以便与包含电刷的机械换向电机进行区分。

另外一个经常使用的术语是 PMSM，其中文全称是“永久磁铁型同步电机”。这里的“永久磁铁”用于与其他同步电机进行区分：其他同步电机依靠转子上的励磁绕组运转，而 BLDC 则处于永久励磁状态。换而言之，即使不给定子通电，电机转子也会通过永久磁铁产生磁场。

为了用于区分带有正弦感应电压（反电动势）的 PMSM 电机和带梯形感应电压的 BLDC 电机（见下文），PMSM 和 BLDC 这两个术语通常会并列出现。现在的大多数 BLDC 电机都具有正弦反电动势。

无刷电机的结构/类型

大部分 BLDC 电机是“内转子电机”，其定子带有线圈，固定不动；中间的转子则在转轴上永久磁铁的作用下旋转。而在“外转子电机”中，定子位于内侧，转子包括一个在外部旋转的钟形外壳，磁体安装在该外壳上。

内转子电机的优势在于转子的转动惯量低，散热非常快。相反，在外转子电机中，由于存在转子外壳和磁体，发热线圈与环境隔绝，散热相对较慢。由于转子的转动惯量转矩很大且很难控制转子外壳的平衡，所以外转子电机不适用于旋转速度很高的模式。

因此，内转子电机在大多数工业应用中广泛使用。外转子电机在大批量生产应用中具有较大优势，因为这种模式可以降低生产成本。外转子电机也可以拥有更短的结构并通常具备更小的齿槽转矩，而由于在相同的磁力下，它的转子直径更大，因此其转矩也更大。

这两种电机通常都设计成三相电机。不过，也有使用单相或两相的设计。在下文中，将只研究三相 BLDC 电机，因为 Nanotec 只生产三相电机产品。

内转子电机和外转子电机均使用齿槽绕组，绕组线缠绕在定子极靴上（铁芯），这样绕组的磁场线就可以流出并汇聚成确定形状。为了让涡流的电流损失降至最低，定子由相互抵消的薄绝缘金属板制成。

对非常小的电机来说，内转子中一种非常重要的特殊设计形式就是无齿槽 BLDC 电机。它们的定子仅由环状金属片构成，内部附着一个粘连或封装的扁平绕组。因为没有铁芯，电机的电感非常低，而且绕组的电流增长非常快。此外，铁损大幅减少，所以电机具有更高的效率等级。在慢速运行中，缺少转矩波动可以带来正面效应。与标准 BLDC 电机不同，极靴的磁场没有增强，因此没有齿槽转矩。这种设计类型对直径小于 40 mm 的电机来说非常重要，因为其功率密度相比有齿槽电机大幅提升。这是由于，因为生产关系，有齿槽电机中绕组之间有很大部分的定子都是空的。而在无齿槽电机中，这个安装空间可以完全填满铜绕组。电机的直径越小，无齿槽电机展现出来的优势就越大。

内转子电机

外转子电机

无齿槽-BLDC-电机

BLDC电机是如何驱动的？

顾名思义，无刷直流电机不使用电刷。若为有刷电机，电刷透过换向器将电流送入转子上的线圈内。那么无刷电机如何将电流传递至转子线圈？不需要，因为线圈不在转子上。相反的，转子是一个永久磁铁，线圈不会旋转，而是固定在定子上。因为线圈固定不动，故不需要电刷及换向器。

有刷电机是藉由控制转子上线圈产生的磁场进行旋转，但静止磁铁产生的磁场是固定不变。如欲改变转速，需改变线圈的电压。若为BLDC电机，是永久磁铁在旋转，藉由改变周围固定线圈产生的磁场方向，使其旋转。如欲控制旋转，需调整进入线圈的电流大小及方向。

BLDC电机的优点

在定子上有三个线圈的BLDC电机，会有六条从这些线圈延伸出的电线（每个线圈两条）。大部分的使用方式为将其中三条导线在内部连接，而另外三条导线则从电机本体拉出（不像前述有两条导线从有刷电机拉出）。在BLDC电机壳体内接线比单纯连接电池的正极和负极要复杂，将于本系列第二节中详细说明此等电机的工作原理。以下将说明BLDC电机的优点并进行总结。

效率是其中的一大优势，因为这些电机可持续控制在最大旋转力（扭力）上。相反的，有刷电机旋转时只有在特定位置才能达到最大扭力。有刷电机若要能提供与无刷电机相同的扭力，必须使用更大的磁铁，这就是即使小型BLDC电机仍能提供大功率的原因。

与第一项有关的第二项优势在于可控性。利用反馈机制，可控制BLDC电机精准地提供所需要的扭力及转速。另一方面，精准控制可降低能耗及温升，若电机由电池供电，则可延长电池寿命。

而且因为没有电刷，BLDC电机还具备高耐用性且产生的电气杂讯(electric noise)极低。若为有刷电机，电刷及换向器会因为持续移动接触而磨耗，并在接触时产生火花。其中，电气杂讯就是电刷通过换向器间隙时容易发生之强烈火花的结果。这也是在必须避免电气杂讯的应用中，经常优先选用BLDC电机的原因。

BLDC电机理想的应用场合

我们已经知道BLDC电机能提供高效率、可控性，而且具有较长的使用寿命。那有什么应用较为合适呢？因为高效率且长寿，使其广泛用于连续运转的装置中。像是洗衣机、空调及其他消费性电子产品，因其高效率有助于大幅降低功耗，近年来也用在风扇上，吸尘器的驱动也是用BLDC电机来达成。只需要变更控制的方法，即可大幅提高电机的转速，这是BLDC电机绝佳可控性的一个实例。

BLDC电机也用于硬碟的驱动，在此情况下，其耐用性使硬碟机能长时间可靠运作，同时其能源转换效率亦有助于在降低，在能耗变得日益重要的领域中达成此目标。

未来的应用更宽广

我们预期未来将可看到更多BLDC电机的应用。例如：可能将广泛地用于驱动服务型机器人，即在制造领域之外提供服务的机器人。有些人可能认为步进电机较适合此等应用，因为能利用脉冲精准地控制位置。但BLDC更适合用以控制力道。使用步进电机，若要使机械手臂固定在定点位置上，通常需要较大且连续的电流来维持。

若使用BLDC电机，所需要的不过是与外力成比例的电流，进而进行更高能源转换效率的控制。BLDC电机亦可取代高尔夫球车及代步车内的有刷直流电机。除更高的效率外，BLDC电机亦能实现更精准的控制，因而进一步延长电池寿命。

BLDC电机也非常适合无人机的应用。精准控制的能力使其特别适合多旋翼无人机，因为必须藉由精准控制每个旋翼的转速，才能控制无人机的姿态。

BLDC直流无刷电机的控制

连接更为复杂

直流无刷电机的内部及外侧

转子为永久磁铁，不会有电流通过。不需要碳刷及整流子，因此使用寿命更长。

上图所示为一种典型的直流无刷电机──内转子型的外观及内部结构。应注意的是此电机的永久磁铁安装在转子上，而线圈位于外侧。这与线圈在转子上而永久磁铁在外侧的典型有刷直流电机完全不同。由于直流无刷电机的转子不使用线圈，故不需为其提供电流，这也是没有碳刷的原因。

直流无刷电机比有刷电机更难驱动。若为有刷电机，只需将电源连接至电机的正负极导线即可。但直流无刷电机的导线数量与有刷电机不同，连接较为复杂。

控制磁场

图2-A：直流无刷电机旋转原理

典型配置：三个间隔120o的线圈。藉由控制相位及线圈电流驱动。

欲使直流无刷电机旋转，需要知道电流进入线圈的方向及时机。图2(a) 说明直流无刷电机的定子(线圈)及转子(永久磁铁)。我们将利用此图说明如何使转子旋转。在此例中将使用三个线圈，但实务上较普遍的做法为使用六个或更多线圈。但在此仅使用三个间隔120o的线圈。如上一节所述，电机负责将电能转换为机械能。那么图示中的电机是怎么做到的？我们来看看内部的情况。

在我们的范例中展示一个三线圈绕阻的三相电机。分别将线圈标示为U、V及W。记住，电流通过线圈会产生磁场。由于有三个线圈，故有三条可通过电流的路径，分别称为U相(电流进入U线圈)、V相(进入V线圈)及W相。先来看U相。若电流只通过U相，则产生的磁通量如图2(b)箭头所示。实际上，所有三个线圈是透过来自各线圈的一条导线相连，并且不可能单独产生U相。图2(c)显示电流通过U及W线圈(相位「U及W」)时的情况，同样以箭头表示各线圈产生的磁通量。图2(d)中的宽箭头为合成通量，即结合U与W磁场合成后的结果。此大的磁通量将导致内部转子旋转，直到转子永久磁铁的S和N极与此箭头对齐(N极最接近箭头尖端)。

图2-B：直流无刷电机旋转原理

电流先通过U再通过W。箭头显示线圈U产生的磁通量。

图2-C：直流无刷电机旋转原理

电流通过U及W。两个箭头分别表示线圈U及W产生的磁通量。

图2-D：直流无刷电机旋转原理

宽箭头表示合成磁通量──U及W产生的磁通量之和。

藉由持续切换磁通量使永久磁铁不断追逐线圈产生的旋转磁场，维持旋转。换句话说，必须连续切换使U、V及W通电，保持合成磁通量移动，才能产生能持续拉动转子磁铁的旋转磁场。

图3显示通电相位与磁通量之间的关系。如图所示，依序从模式1切换至模式6将使转子以顺时针旋转一圈。可藉由控制相位变化的速度控制转速。我们将此处所述之6种模式控制法称为「120度方波控制」。

图3：不断变化的合成磁通量持续拉动转子磁铁，使转子以同样的速度旋转。

正弦控制提供平顺的旋转

利用120度方波控制，只有六个合成磁通量方向用以驱动电机。举例来说，从模式1切换至模式2(参见图3)使合成磁通量方向移动60o，进而拉动转子。从模式2切换至模式3使磁通量方向再移动60o，并再次拉动转子。重复此过程以驱动直流无刷电机，但这样的驱动方式则会产生对应的转矩涟波。在部分情况下，此涟波会造成不必要的振动与机械噪音。

替代120度方波控制的方法，是利用正弦控制实现更平顺且更安静的操作。若是120度方波控制，连续循环通过六个固定的合成通量(如图2(c)所示)会产生同样大小的磁通量。但藉由更谨慎的控制进入U、V及W的电流，可在各线圈产生不同的磁通量大小，能更准确的改变合成磁通量。(参见图4。)

藉由精确调整进入三相中各相的电流，即能达到更连续的合成磁通量变化，进而使电机旋转更平顺。

图4：正弦控制

藉由控制进入所有三相的电流，即能比120度方波控制达到更精准控制合成磁通量的大小及方向，以实现更平顺的旋转磁场。合成磁通量不再限于六个不连续的方向。

以变频器控制

让我们再次检视进入U、V及W之电流的性质。为求简单，仅以120度方波控制说明运作原理。回到图3，可看到在模式1中电流从U进入W，在模式2中从U进入V。如图中箭头所示，每次通电线圈组合的变化都会导致磁通量方向相应改变。

现在来看模式4。此时电流从W进入V，刚好与模式1相反。若为有刷直流电机，则可藉由碳刷与整流子达到此等电流反转。按照定义，直流无刷电机无法使用碳刷或其他机械接触实现此等反转。相反的，一般是使用变频器电路进行此控制。

而且使用变频器电路亦可调整进入各线圈的电压，因此还能控制电流的大小。调整电压的典型方式为透过脉冲宽度调变(PWM)。在此方式中，藉由延长或缩短脉冲导通(ON)时间(亦称为「责任周期」：导通时间以导通(ON)＋断开(OFF)切换间隔比率表示)改变电压。增加责任周期具有与提高电压相同的效果，减少责任周期则具有与降低电流相同的效果。(参见图5。)

可使用配备有专门硬体的MPU实现PWM输出。120度方波控制仅需要控制两相电压，在软体中即可相对容易的实现；但正弦控制是使用三相电压控制，控制上较为复杂。因此，需要适当的变频器电路以驱动直流无刷电机。应注意，变频器亦可与交流电机搭配使用。但在消费性电子产品中使用的「变频器类型」一词，通常是指直流无刷电机。

图5：PWM输出vs.输出电压

改变责任周期(各切换周期内的接通时间)会改变有效电压。

直流无刷电机及位置感测器

如前所述，藉由持续改线圈产生之磁通量的方向性，驱动直流无刷电机。转子上的永久磁铁以相同的速度不断追逐移动的旋转磁场，造成转子旋转。

但到目前为止都还没提到控制这些电机另一个重要因子：位置。由于直流无刷电机控制必须与转子(磁铁)位置协调，因此这些电机一般都会带有包含侦测位置的位置感测器。在不知道转子位置的情况下施加电流，可能会导致转子旋转方向错误。使用位置感测器即可防止此等问题。

表1显示这些电机中常用的位置感测器类型。不同的控制方法使用不同的感测器类型。讯号输入间隔60o的霍尔元件(Hall elements)最适合采用120度方波控制的电机，在此情况下唯一要做的就是决定通电的相位。更精准的感测器，例如解角器(resolvers)及光学编码器，更适合采用向量控制(说明如下)、更精细的控制电机内的磁通量。

虽然感测器具有明显优势，但亦有其缺点。有些感测器对灰尘的耐受性非常低，而且需要定期维护。有些只能在有限的温度范围内正常运作。使用感测器及建置所有伴随电路会增加制造成本，而高精度感测器当然也最昂贵。目前市面上的「无感测器直流无刷电机」完全不需使用感测器，是降低零件及维护成本的一种方式。但本节旨在说明操作原理，故假设使用感测器以追踪转子位置。

向量控制维持高效率

如前所述，正弦控制利用三相电流平顺的控制磁通量，以实现平顺的旋转。而120度方波控制在任一时间点仅使三相(U、V及W)中的两相通电，正弦控制明显更为复杂，因其必须准确提供不同的电流量至全部三个相位。

降低此复杂性的一个方法是向量控制，利用计算转换座标空间，将三相交流值视为两相直流值处理。但此方法仅适用于能提供高解析度位置资讯之情况，以供计算使用。取得此资讯的一个方法是使用高精度感测器(光学编码器、解角器等)。另一种「无感测器」法是依据进入各相之电流的大小预测位置。不论何种方式，转换座标空间可直接控制与扭力有关的电流以实现高效率操作，几乎不会浪费电流。

实现向量控制需要密集的数学运算，包括快速求解转换座标换算所需要的三角函数能力。用以控制这些电机的MCU通常包含FPU(浮点运算单元)，必须要能提供强大与即时的运算能力。

（四）

无刷直流电机控制的 6 个要素

消费者对功率、可靠性、功能性和性能的需求不断上升，推动着电子设备（包括剪草机、冰箱、真空吸尘器、汽车等）的快速发展。制造商希望实现全方位交付。电机控制在兑现这些承诺方面发挥着主要作用，而了解基本原理是实现这一目标的第一步。

不同的电机类型

当今有几种可用的电机控制拓扑结构：有刷、无刷直流 (BLDC)、步进和电感。BLDC 和永磁同步电机 (PMSM) 是两种最密切相关的无刷电机类型。

无刷电机无需使用电机电刷，因而广泛用于当今的许多应用中。这些 BLDC 拓扑结构使用换向逻辑来移动转子，从而提高电机的效率和可靠性。我们来详细介绍一下。

了解 BLDC 和 PMSM 类型的电机

BLDC 和 PMSM 电机的工作原理与同步电机相同。转子在每次换向时都会继续跟随定子转动，所以电机能够持续运转。然而，这两种直流电机的定子绕组采用不同的几何形状，因此可产生不同的反电动势 (BEMF) 响应。BLDC BEFM 为梯形。PMSM 电机的 BEMF 则为正弦曲线形，因此线圈绕组以正弦方式缠绕。为最大限度地提高性能，这些电极通常采用正弦波换向。

BLDC 和 PMSM 电机（图 1）在运行时通过其绕组产生电动势。在任何电机中，由于运动，产生的 EMF 称为反电动势 (BEMF)，这是因为电机中感应的电动势与发电机的电动势相反。

图 1：BLDC 和 PMSM 电机通常使用正弦波换向。

磁场定向控制说明

为实现控制 PMSM 电机的正弦波形，需要使用磁场定向控制 (FOC) 算法。FOC 通常用于最大限度地提高 PMSM 三相电机的效率。与 BLDC 的梯形控制器相比，PMSM 的正弦控制器更为复杂，成本也更高。然而，成本的增加也带来了一些优势，如减少了电流波形中的噪声和谐波。BLDC 的主要优势是更易于控制。最后，最好根据应用需求来选择电机。

带传感器和不带传感器的 BLDC 和 PMSM 电机

BLDC 和 PMSM 电机可带传感器，也可不带传感器。带传感器的电机（图 2）适用于需要在负载条件下起动电机的应用。这些电机使用霍尔传感器，传感器嵌入电极定子中。从本质上说，传感器就是一种开关，其数字输出等同于检测到的磁场极性。电机的每个相都需要使用一个单独的霍尔传感器。三相电机需要三个霍尔传感器。不带传感器的电机需要将电机用作传感器，采用算法来运行。它们依赖于 BEMF 信息。通过对 BEMF 进行采样，可推断出转子的位置，从而无需使用基于硬件的传感器。无论电机的拓扑结构如何，控制这些电机需要了解转子位置，这样电机才能有效换向。

图 2：BLDC 和 PMSM 电机示意图。

电机控制软件算法

如今，计算机程序之类的软件算法（为执行具体任务而设计的一组指令）开始用于控制 BLDC 和 PMSM 电机。这些软件算法通过监控电机运行来提高电机效率，降低运行成本。算法中的一些主要功能包括电机初始化、霍尔传感器位置检测以及用于提高或降低电流基准的开关信号检查。

控制器如何处理电机传感器信息

三相 BLDC 电机具有 6 种状态。如图 3 所示，三位代码可表示 1 至 6 之间的操作码编号。传感器用于通过 8 个操作码中的 6 个操作码（1 至 6）提供三位数据输出。该信息非常有用，因为控制器可确定何时发出了非法操作码，并根据合法操作码（1 至 6）执行操作。算法获取霍尔传感器操作码，并对其进行解码。当霍尔传感器操作码值发生变化时，控制器就会改变送电方案，以实现换向。微控制器使用操作码从查找表中提取送电信息。在使用新的扇区命令给三相逆变器送电后，磁场转移至新位置，同时推动着转子沿着移动方向运动。电机运转时会不断重复此过程。

图 3：三位代码可用于表示 1 至 6 之间的操作码编号。

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