無刷直流電機最強科普（收藏版）

攻城獅華哥

無刷直流電機（BLDC：Brushless Direct Current Motor），也被稱為電子換向電機（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。無刷直流電機實質(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，而無刷直流電機是當今最理想的調(diào)速電機。

它集直流電機與交流電機的優(yōu)點于一身，既有直流電機良好的調(diào)整性能，又有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點。因而備受市場歡迎，廣泛應用于汽車、家電、工業(yè)設備等領(lǐng)域中。

​

01 無刷直流電機發(fā)展歷史

直流無刷電機并不是最早的產(chǎn)品，而是在有刷電機的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其結(jié)構(gòu)上要比有刷電機結(jié)構(gòu)復雜。直流無刷電機由電機主體和驅(qū)動器組成，區(qū)別于有刷直流電機，無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(zhuǎn)子的永磁材料。

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

1740年代：電機發(fā)明開始

通過蘇格蘭本篤會修士和科學家安德魯·戈登（Andrew Gordon）的研究工作，電機的早期模型首次出現(xiàn)于1740年代。其他科學家，例如邁克爾·法拉第（Michael Faraday）和約瑟夫·亨利（Joseph Henry）繼續(xù)開發(fā)早期的電機，嘗試電磁場并發(fā)現(xiàn)如何將電能轉(zhuǎn)化為機械能。

1832年：首款換向器直流電機的發(fā)明

1832年，英國物理學家威廉·斯特金（William Sturgeon）就發(fā)明了第一臺可以提供足夠動力來驅(qū)動機械的直流電機，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(zhí)行任務的電動馬達，他的發(fā)明被用于為小型印刷機提供動力。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，該機器也無法在商業(yè)上使用。

​

托馬斯和艾米麗·達文波特的專利電機

1886年：實用性直流電機的發(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。

​

Frank Julian Sprague的“實用”馬達

值得一提的是，該實用性電機采用無刷形式，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，異步電機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術(shù)發(fā)展緩慢。

而在無刷電機誕生不久，人們就發(fā)明了直流有刷電機。直流有刷電機因機構(gòu)簡單，生產(chǎn)加工容易，維修方便，容易控制，一經(jīng)問世便成為了當時的主流。

1887年：交流感應電機獲得專利

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利。它不適用于公路車輛，但后來由西屋公司的工程師進行了改裝。1892年，設計了第一臺實用的感應電機，接著是旋轉(zhuǎn)的條形繞組轉(zhuǎn)子，使該電機適用于汽車應用。

1891年：三相電機的開發(fā)

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

1955年：直流無刷電機時代開始

1955年，美國d．harrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機機械電刷的專利，正式標志著現(xiàn)代無刷直流電機的誕生。但當時沒有電機轉(zhuǎn)子位置檢測器件，該電機沒有起動能力。

1962年：第一臺無刷直流（BLDC）電機的發(fā)明

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

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

1970年代至今：無刷直流電機應用快速發(fā)展

70年代以來，隨著新型功率半導體器件（如GTR、MOSFET、IGBT、IPM）相繼出現(xiàn)，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）的問世，無刷直流電機得到快速發(fā)展，容量不斷增大。

之后，隨著1978年mac經(jīng)典無刷直流電機及其驅(qū)動器的推出，以及80年代方波無刷電機和正弦波無刷直流電機的研發(fā)，無刷電機真正開始進入實用階段，并且得到快速發(fā)展。

02 BLDC電機基礎(chǔ)知識

（1）無刷直流電機的結(jié)構(gòu)

無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無)組成。

• 定子
  

BLDC電機的定子結(jié)構(gòu)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(tǒng)感應電機的繞組略有不同。

​

BLDC電機定子

通常，大多數(shù)BLDC電機由三個定子繞組組成，這三個定子繞組以星形或“Y”形連接（無中性點）。另外，基于線圈互連，定子繞組進一步分為梯形和正弦電動機。

​

BLDC電機反電動勢

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

• 轉(zhuǎn)子
  

BLDC電動機的轉(zhuǎn)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(jù)應用，極數(shù)可以在2到8個之間變化，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(zhuǎn)子的外周上。

（b）：稱為電磁嵌入式轉(zhuǎn)子，其中矩形永磁體嵌入轉(zhuǎn)子的鐵心中。

（c）：將磁體插入轉(zhuǎn)子的鐵芯中。

​

BLDC電機轉(zhuǎn)子

• 位置傳感器（霍爾傳感器）
  

由于BLDC電機中沒有電刷，因此換向是電子控制的。為了使電機旋轉(zhuǎn)，必須順序地給定子繞組通電，并且必須知道轉(zhuǎn)子的位置（即轉(zhuǎn)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(jù)霍爾效應原理工作）的位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置并將其轉(zhuǎn)換為電信號。大多數(shù)BLDC電機使用三個霍爾傳感器，這些傳感器嵌入到定子中以檢測轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的北極是南極還是北極附近。通過組合三個傳感器的結(jié)果，可以確定通電的確切順序。

（2）無刷直流電機的工作原理

顧名思義，無刷直流電機不使用電刷。無刷直流電機不利用換向器來調(diào)節(jié)線圈內(nèi)部的電流，而是使用電子換向器來傳遞電流，該電流產(chǎn)生交流電信號，從而導致電機驅(qū)動。

無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中，它就會受到作用力。由于反作用力，磁體將承受相等且相反的力。當線圈中通過電流后，會產(chǎn)生磁場，該磁場被定子的磁極所驅(qū)動，同極性相互排斥，異極性相互吸引，如果持續(xù)改變線圈中電流的方向的話，那么轉(zhuǎn)子所感應出磁場的磁極也會持續(xù)發(fā)生變化，那么轉(zhuǎn)子就會在磁場的作用下一直轉(zhuǎn)動。

在BLDC電機中，載流導體（定子）是固定的，而永磁體（轉(zhuǎn)子）是運動的。

​

BLDC電機運轉(zhuǎn)示意圖

當定子線圈從電源獲得電源時，它就變成電磁體并開始在氣隙中產(chǎn)生均勻的磁場。盡管電源是直流電，但開關(guān)仍會產(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(zhuǎn)子之間的相互作用力，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

通過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(zhuǎn)子與定子極對齊，從而導致電機旋轉(zhuǎn)。

​

一對極和兩對極的 BLDC 電機運行動圖

無刷直流電機有三種配置：單相，兩相和三相。其中，三相BLDC是最常見的一種。

（3）無刷直流電機的驅(qū)動方法

無刷直機電機的驅(qū)動方式按不同類別可分多種驅(qū)動方式，它們各有特點。

按驅(qū)動波形：方波驅(qū)動，這種驅(qū)動方式實現(xiàn)方便，易于實現(xiàn)電機無位置傳感器控制;

正弦驅(qū)動：這種驅(qū)動方式可以改善電機運行效果，使輸出力矩均勻，但實現(xiàn)過程相對復雜。同時，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）無刷直流電機的優(yōu)點與局限性

優(yōu)點：

▷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(qū)動電路

▶需要額外的位置傳感器（FOC不用）

（5）無刷直流電機的應用

無刷直流電機廣泛用于各種應用需求，例如工業(yè)控制，汽車，航空，自動化系統(tǒng)，醫(yī)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，由于無刷直流電機大規(guī)模的研發(fā)和技術(shù)的逐漸成熟，其驅(qū)動系統(tǒng)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的研究與嘗試已取得顯著的效益，各大廠商也提供不同型號的電機以滿足不同驅(qū)動系統(tǒng)的需求。現(xiàn)階段在紡織、冶金、印刷、自動化生產(chǎn)流水線、數(shù)控機床等工業(yè)生產(chǎn)方面，無刷直流電機都有涉獵。

汽車領(lǐng)域

除了核心發(fā)動機外，在雨刷器、電動車門、汽車空調(diào)、電動車窗等部位都有電機的身影。隨著汽車工業(yè)向著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，所使用的電機也必須滿足高效率、低能耗的標準。而無刷直流電機的低噪聲、壽命長、無火花干擾、方便集中控制等優(yōu)點完全符合，隨著其調(diào)速技術(shù)的日益成熟，性價比會越來越高，它在汽車電機驅(qū)動的各個環(huán)節(jié)中的應用會更加廣泛。

醫(yī)療設備領(lǐng)域

在國外，對無刷直流電機的使用已經(jīng)較為普遍，可以用來驅(qū)動人工心臟中的小型血泵;在國內(nèi)，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(diào)制器都使用了無刷直流電機。

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(jù)了大部分的消費市場，“直流變頻”受到生產(chǎn)廠商的青睞，已有逐漸替換掉“交流變頻”的轉(zhuǎn)變趨勢。這種轉(zhuǎn)變實質(zhì)上就是家電所用的電機由感應電機向無刷直流電機及其控制器的過渡，以達到節(jié)能環(huán)保、低噪智能、舒適性高的要求。無刷直流電機的發(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(jié)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)的革新與進步。

辦公計算機外圍設備、電子數(shù)碼消費品領(lǐng)域

比如在生活中常見的打印機、傳真機、復印機、硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、電影攝影機等，在它們的主軸和附屬運動的帶動控制中，都有無刷直流電機的身影。

03 無刷直流電機與有刷直流電機的區(qū)別

​

無刷直流電機與有刷直流電機的對比

（1）工作原理的區(qū)別

有刷電機采用機械換向，磁極不動，線圈旋轉(zhuǎn)。有刷電機的主要結(jié)構(gòu)就是定子+轉(zhuǎn)子+電刷，通過旋轉(zhuǎn)磁場獲得轉(zhuǎn)動力矩，從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉(zhuǎn)動中起到導電和換相作用。

無刷電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉(zhuǎn)。無刷直流電機由電機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。無刷電機通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，使用電子線路，適時切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅(qū)動電機。

（2）性能的區(qū)別

有刷直流電機技術(shù)更為成熟、起動響應速度更快，起動扭矩更大，運行更平、控制精度更高。直流有刷電機機構(gòu)簡單，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。而無刷直流電機近十幾年才慢慢投入商業(yè)運營，技術(shù)較為不成熟。直流有刷電機起動響應速度快，起動扭矩大，變速平穩(wěn)，而無刷電機起動電阻大（感抗），起動扭矩相對較小。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。

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

（3）調(diào)速方式的區(qū)別

實際上兩種電機的控制都是調(diào)壓，只是由于無刷直流采用了電子換向，所以要有數(shù)字控制才可以實現(xiàn)了，而有刷直流是通過碳刷換向的，利用可控硅等傳統(tǒng)模擬電路都可以控制，比較簡單。

04 全球BLDC電機主流制造商（Top 10）

目前BLDC產(chǎn)業(yè)內(nèi)，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。

​

圖片來源：電子發(fā)燒友

ABB

ABB憑借130多年的技術(shù)創(chuàng)新歷史，現(xiàn)已成為電氣化產(chǎn)品，工業(yè)自動化和電網(wǎng)，機器人技術(shù)和運動領(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(chǔ)設施領(lǐng)域的客戶提供服務。

阿美特克（AMETEK）

阿美特克（AMETEK）是一家世界級組織，致力于通過獨特的技術(shù)創(chuàng)新為客戶最復雜的挑戰(zhàn)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(qū)動器，風扇，泵，精密控制的鼓風機和定制工程線性運動系統(tǒng)。

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生產(chǎn)和銷售基地。

美蓓亞集團

美蓓亞集團在1951年創(chuàng)立于日本，主營業(yè)務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、細口徑滾珠軸承專業(yè)生產(chǎn)廠家，以此為基礎(chǔ)逐步擴展至機械加工、電子設備加工領(lǐng)域。

德昌電機

德昌電機服務于各種垂直行業(yè)和業(yè)務超過50年，已成為電機，運動子系統(tǒng)，執(zhí)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(qū)動力。該集團提供了當今市場上最大的工程電機和運動系統(tǒng)集，這些系統(tǒng)可以標準化用于量產(chǎn)，也可以個性化以滿足戰(zhàn)略部門和主要客戶的需求。

聯(lián)合運動技術(shù)公司

聯(lián)合運動技術(shù)公司（Allied Motion Technologies）是精密運動控制產(chǎn)品和解決方案的領(lǐng)先制造商，以其在電磁，機械和電子運動技術(shù)方面的知識而聞名于世。該公司的增長戰(zhàn)略著眼于通過利用其專業(yè)知識開發(fā)精密運動解決方案，從而在選定的目標市場中成為領(lǐng)導者，該解決方案利用各種Allied Motion技術(shù)為客戶創(chuàng)造更高價值的解決方案。

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(qū)動器和機械動力傳輸產(chǎn)品的領(lǐng)先營銷商，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）的全現(xiàn)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)務部門，負責工業(yè)電機，發(fā)電機和機械動力傳輸產(chǎn)品的市場營銷，設計，制造和提供服務。2018年，Baldor Electric Company被合并為ABB，成為ABB汽車和機械公司。

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。同時也是專用和通用AC電機，控制裝置和軸裝式減速器的批發(fā)供應商。2014年，北美電氣開設了NAE電機控制部門，這使該公司能夠為其廣泛的分銷網(wǎng)絡提供完整的自動化解決方案。

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化領(lǐng)域的專家。其子公司施耐德電氣美國公司是步進電機和電子控制系統(tǒng)創(chuàng)新運動控制解決方案的公認領(lǐng)導者，并且是MDrive®產(chǎn)品線集成電機驅(qū)動器的全球領(lǐng)導者。

雷勃電氣

Regal Beloit憑借其高效的電機和動力傳動系統(tǒng)，在全球能源效率趨勢中處于有利地位。該公司在客戶需要的地方提供世界一流的產(chǎn)品和服務，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電機品牌則在整個工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛使用。

​

結(jié)語：

經(jīng)過近幾十年的高速發(fā)展，無刷直流電機在技術(shù)上日益成熟，應用領(lǐng)域幾乎覆蓋所有電機驅(qū)動的場景，并展現(xiàn)出優(yōu)良特性，深受市場歡迎，未來很大可能會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提供優(yōu)質(zhì)的BLDC產(chǎn)品，推動國內(nèi)BLDC市場發(fā)展。