換向器切換線圈中電流的流向
，反轉磁極的方向，使其始終向右旋轉。電刷向與軸一同旋轉的換向器供電。

 

活躍於多個領域的電機

 

我們按電源種類和轉動原理對電機進行了分類（圖 2）。讓我們來簡單看看各類電機的特點和用途吧。

 

 

圖 2：電機的主要類型

 

構造簡單而又容易操控的 DC 電機（有刷電機）通常被用在家電產品的“光盤托盤的開閉”等用途上。或用在汽車的“電動後視鏡的開閉、方向控製”等用途上。雖然它既廉價又能用在多個領域上
，但它也有缺陷。由於換向器會和電刷接觸，它的壽命很短
，必須定期更換電刷或保修。

 

步進電機會隨著向其發出的電脈衝數旋轉。它的運動量取決於向其發出的電脈衝數
，因此適用於位置調整。在家庭中通常被用於“傳真機和打印機的送紙”等。由於傳真機的送紙步驟取決於規格（刻紋、細致度），因此隨著電脈衝數旋轉的步進電機非常便於使用。很容易解決信號一旦停止機器就會暫時停止的問題。

 

旋轉數隨電源頻率變化的同步電機被用於“微波爐的旋轉桌”等(deng)用(yong)途(tu)上(shang)。電(dian)機(ji)組(zu)裏(li)有(you)齒(chi)輪(lun)減(jian)速(su)器(qi)，可(ke)以(yi)得(de)到(dao)適(shi)合(he)加(jia)熱(re)食(shi)品(pin)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)數(shu)。感(gan)應(ying)電(dian)機(ji)也(ye)受(shou)電(dian)源(yuan)頻(pin)率(lv)的(de)影(ying)響(xiang)

，但(dan)頻(pin)率(lv)和(he)旋(xuan)轉(zhuan)數(shu)不(bu)一(yi)致(zhi)。以(yi)前(qian)這(zhe)類(lei) AC 電機被用在風扇或洗衣機上。

 

由此可見，各式各樣的電機活躍於多個領域。其中，BLDC 電機（無刷電機）具有怎樣的特點才會用途如此之廣呢？

 

BLDC 電機是如何旋轉的？

 

BLDC 電機中的“BL”意為“無刷”
，就是 DC 電機（有刷電機）中的“電刷”沒有了。電刷在 DC 電機（有刷電機）裏扮演的角色是通過換向器向轉子裏的線圈通電。那麼沒有電刷的 BLDC 電機是如何向轉子裏的線圈通電的呢？原來 BLDC 電dian動dong機ji電dian機ji采cai用yong永yong磁ci體ti來lai做zuo轉zhuan子zi，轉zhuan子zi裏li是shi沒mei有you線xian圈quan的de。由you於yu轉zhuan子zi裏li沒mei有you線xian圈quan
，所suo以yi不bu需xu要yao用yong於yu通tong電dian的de換huan向xiang器qi和he電dian刷shua。取qu而er代dai之zhi的de是shi作zuo為wei定ding子zi的de線xian圈quan（圖 3）。

 

DC 電機（有刷電機）中被固定的永磁體所製造出的磁場是不會動的，通過控製線圈（轉子）在其內部產生的磁場來旋轉。要通過改變電壓來改變旋轉數。BLDC 電機的轉子是永磁體，通過改變周圍的線圈所產生的磁場的方向使轉子旋轉。通過控製通向線圈的電流方向和大小來控製轉子的旋轉。

 

 

圖 3：BLDC 電機的運轉示意圖

 

BLDC 電機將永磁體作為轉子。由於無需向轉子通電，因此不需要電刷和換向器。從外部對通向線圈的電進行控製。

 

BLDC 電機的優點

 

BLDC dianjidedingzishangyousangexianquan
，meigexianquanyoulianggendianxian，dianjizhonggongyouliugenyinchuxian。shijishang，youyushineibujiexian，tongchangzhixuyaosangenxian，danhaishibixianqiansuoshuode DC 電機（有刷電機）要多出一根。純靠連接電池的正負極是不會動的。至於如何運行 BLDC 電機將在本係列的第二回中進行說明。此次我們要關注的是 BLDC 電機的優點。

 

BLDC 電機的第一個特點是“高效率”。可以控製它的回旋力（扭矩）始終保持最大值。DC 電機(有刷電機)的話，旋轉過程中最大扭矩隻能保持一個瞬間，無法始終保持最大值。若 DC 電機（有刷電機）想要得到和 BLDC 電機一樣大的扭矩
，隻能加大它的磁鐵。這就是為什麼小型 BLDC 電機也能發出強大力量的原因。

 

第二個特點是“良好的控製性”，與第一個有所關聯。BLDC 電機可以絲毫不差的得到你所想要的扭矩
、旋轉數等。BLDC 電機可以精確地反饋目標旋轉數、扭矩等。通過精確的控製可以抑製電機的發熱和電力的消耗。若是電池驅動
，則能通過周密的控製，延長驅動時間。

 

除此之外還有耐用，電氣噪音小等特點。上述兩點是無電刷所帶來的優勢。而 DC 電機（有刷電機）youyudianshuahehuanxiangqizhijiandejiechu
，changshijianshiyonghuiyousunhao。jiechudebufenhaihuichanshenghuohua。youqishihuanxiangqidefengxipengdaodianshuashihuichuxianjudadehuohuahezaoyin。ruobuxiwangshiyongguochengzhongchanshengzaoyin，huikaolvcaiyong BLDC 電機。

 

BLDC 電機適用於這些方麵

 

高效率、多樣操控
、壽命長的 BLDC 電機一般會用在哪些地方呢
？往往被用於能夠發揮其高效率
、壽命長的特點，被連續使用的產品中。例如：家電。人們很早就開始使用洗衣機和空調了。最近電風扇中也開始采用 BLDC 電機，並成功促使消耗電力大幅度下降。正是因為效率高才讓消耗電力下降的。

 

吸塵機中也采用了 BLDC 電機。在某個事例中
，通過變更控製係統，實現了旋轉數的大幅度上升。這個事例體現了 BLDC 電機的良好控製性。

 

作為重要存儲介質的硬盤，其旋轉部分也采用了 BLDC 電(dian)機(ji)。由(you)於(yu)它(ta)是(shi)需(xu)要(yao)長(chang)時(shi)間(jian)運(yun)轉(zhuan)的(de)電(dian)機(ji)
，因(yin)此(ci)耐(nai)用(yong)性(xing)很(hen)重(zhong)要(yao)。當(dang)然(ran)，它(ta)還(hai)有(you)極(ji)力(li)抑(yi)製(zhi)電(dian)力(li)消(xiao)耗(hao)的(de)用(yong)途(tu)。這(zhe)裏(li)的(de)高(gao)效(xiao)率(lv)也(ye)和(he)電(dian)力(li)的(de)低(di)消(xiao)耗(hao)有(you)關(guan)。

 

BLDC 電機的用途還有很多

 

BLDC 電機有望被應用在更廣泛的領域中。BLDC 電機將會在小型機器人，尤其是在製造以外的領域提供服務的“服務機器人”中得到廣泛應用。“定位對於機器人很重要

，不是應該使用隨電脈衝數運行的步進電機嗎？”或許會有人這麼想。但是在力量控製方麵，BLDC 電機更合適。另外

，若采用步進電機
，像機器人手腕這樣的構造要固定在某個位置需要提供相當大的電流。若是 BLDC 電機
，則能配合外力隻提供所需的電力，從而抑製電力的消耗。

 

還可用於運輸方麵。一直以來，老年人電動車或高爾夫球車中大多采用簡單的 DC 電機，但最近都開始采用具有良好控製性的高效率 BLDC 電機了。可以通過細微的控製，延長電池的持續時間。BLDC 電機還適用於無人機中。尤其是多軸機架的無人機
，由於它是通過改變螺旋槳的旋轉數來控製飛行姿態的，因此能夠精密控製旋轉的 BLDC 電機很有優勢。

 

怎麼樣
？BLDC 電機是效率高、控製性良好、壽命長的優質電機。但是，要想將 BLDC 電機的力量發揮到極致，則需要正確的控製。該如何操作呢？

 

僅靠連接無法轉動

 

內轉子型 BLDC 電機是典型的 BLDC 電機的一種，其外觀與內部構造如下所示。帶刷 DC 電機（以下稱為 DC 電機）的轉子上有線圈
，外側放有永磁體。BLDC 電機的轉子上有永磁體

，外側是線圈。BLCD 電機的轉子沒有線圈
，是永磁體，因此沒有必要在轉子上通電。實現了不帶通電用的電刷的“無刷型”。

 

 

另一方麵，與 DC 電機相比
，控製也變得更難了。並不是隻要將電機上的電纜接上電源就好了。本來就連電纜數目都不一樣。和“將正極（+）和負極（-）連上電源”的方式不同。

 

 

圖 4：BLDC 電機的外觀及內部構造

 

轉子是永磁體，因此無法通電。無需電刷及換向器，可謀求延長使用壽命。

 

改變磁通量的方向

 

為了轉動 BLDC 電機，必須控製線圈的電流方向及時機。圖 2-A 是將 BLDC 電機的定子（線圈）和轉子（永磁體）模式化的結果。使用該圖片，思考一下轉子旋轉的情況吧。思考使用 3 個線圈的情況。雖然實際上也有使用 6 個或以上的線圈的情況，但在考慮原理的基礎上
，每 120 度放一個線圈，使用 3 個線圈。電機將電氣（電壓、電流）轉換為機械性旋轉。圖 5-A 的 BLDC 電機又是如何轉動呢
？先來看一看電機中發生了什麼吧。

 

 

圖 5-A：BLDC 電機轉動原理

 

BLDC 電機中每隔 120 度放置一個線圈
，總共放置三個線圈
，控製通電相或線圈的電流

 

如圖 5-A 所示，BLDC 電機使用 3 個線圈。這三個線圈用以在通電後生成磁通量，將其命名為 U、V、W。將該線圈通電試試看吧。線圈 U（以下簡稱為“線圈”）上的電流路徑記為 U 相，V 的記錄為 V 相
，W 的記錄為 W 相。接下來看一看 U 相吧。向 U 相通電後，將產生如圖 2-B 所示的箭頭方向的磁通量。

 

但實際上，U、V、W 的電纜都是互相連接著的
，因此無法僅向 U 相通電。在這裏，從 U 相向 W 相通電
，會如圖 2-C 所示在 U
、W 產生磁通量。合成 U 和 W 的兩個磁通量
，變為圖 2-D 所示的較大的磁通量。永磁體將進行旋轉，以使該合成磁通量與中央的永磁體（轉子）的 N 極方向相同。

 

 

圖 5-B：BLDC 電機的轉動原理

 

從 U 相向 W 向通電。首先，隻關注線圈 U 部分，則發現會產生如箭頭般的磁通量

 

 

圖 5-C：BLDC 電機的轉動原理

 

從 U 相向 W 相通電，則會產生方向不同的 2 個磁通量。

 

 

圖 5-D：BLDC 電機的轉動原理

 

從 U 相向 W 相通電，可以認為產生了兩個磁通量合成的磁通量。

 

若改變合成磁通量的方向，則永磁體也會隨之改變。配合永磁體的位置

，切換 U 相
、V 相
、W 相中通電的相，以變更合成磁通量的方向。連續執行此操作，則合成磁通量將發生旋轉，從而產生磁場
，轉子旋轉。

 

圖 3 所示的是通電相與合成磁通量的關係。在該例中
，按順序從 1-6 變更通電模式，則合成磁通量將順時針旋轉。通過變更合成磁通量的方向
，控製速度，可控製轉子的旋轉速度。將切換這 6 種通電模式

，控製電機的控製方法稱為“120 度通電控製”。

 

 

圖 6：轉子的永久磁石會像被合成磁通量牽引一樣旋轉，電機的軸也會因此旋轉

 

使用正弦波控製
，進行流暢的轉動

 

接下來，盡管在 120 度通電控製下合成磁通量的方向會發生旋轉，但其方向不過隻有 6 種。比如將圖 3 的“通電模式 1”改為“通電模式 2”，則合成磁通量的方向將變化 60 度。然後轉子將像被吸引一樣發生旋轉。接下來
，從“通電模式 2”改為“通電模式 3”，則合成磁通量的方向將再次變化 60 度。轉子將再次被該變化所吸引。這一現象將反複出現。這一動作將變得生硬。有時這動作還會發出噪音。

 

能消除 120 度通電控製的缺點

，實現流暢的轉動的正是“正弦波控製”。在 120 度通電控製中

，合成磁通量被固定在了 6 個方向。進行控製
，使其進行連續的變化。在圖 2-C 的例子中，U 和 W 生成的磁通量大小相同。但是，若能較好地控製 U 相、V 相
、W 相，則可讓線圈各自生成大小各異的磁通量，精密地控製合成磁通量的方向。調整 U 相、V 相

、W 相各相的電流大小，與此同時生成了合成磁通量。通過控製這一磁通量連續生成，可使電機流暢地轉動。

 

圖 7：正弦波控製

 

正弦波控製可控製 3 相上的電流
，生成合成磁通量
，實現流暢的轉動。可生成 120 度通電控製無法生成的方向上生成合成磁通量。

 

使用逆變器控製電機

 

那麼 U、V、W 各相上的電流又如何呢？為便於理解，回想 120 度通電控製的情況看看吧。請再次查看圖 3。在通電模式 1 時，電流從 U 流至 W;在通電模式 2 時
，電流從 U 流至 V。可以看出，每當有電流流動的線圈的組合發生改變時，合成磁通量箭頭的方向也會發生變化。

 

接下來
，請看通電模式 4。在該模式下，電流從 W 流至 U
，與通電模式 1 的方向相反。在 DC 電機中，像這樣的電流方向的轉換是由換向器和刷子的組合來進行了。但是，BLDC 電機不使用這樣的接觸型的方法。使用逆變器電路，更改電流的方向。在控製 BLDC 電機時，一般使用的是逆變器電路。

 

另外逆變器電路可改變各相中的外加電壓，調整電流值。電壓的調整中

，常用的是 PWM（Pulse Width Modulation=脈衝寬度調製）。PWM 是一種通過調整脈衝 ON/OFF 的時間長度改變電壓的方法
，重要的是 ON 時間和 OFF 時間的比率（占空比）變化。若 ON 的比率較高，可以得到和提高電壓相同的效果。若 ON 的比率下降，則可以得到和電壓降低相同的效果。

 

為了實現 PWM，現在還有配備了專用硬件的微電腦。進行正弦波控製時需控製 3 相的電壓，因此比起隻有 2 相通電的 120 度通電控製來說
，軟件要稍稍複雜一些。逆變器是對驅動 BLDC 電機必要的電路。交流電機中也使用了逆變器，但可以認為家電產品中所說的“逆變器式”幾乎使用的是 BLDC 電機。

 

圖 8：PWM 輸出與輸出電壓的關係

 

變更某時間內的 ON 時間，以變更電壓的有效值。ON 時間越長，有效值越接近施加 100%電壓時（ON 時）的電壓。

 

使用位置傳感器的 BLDC 電機

 

以上是 BLDC 電機的控製的概況。BLDC 電機通過改變線圈生成的合成磁通量的方向，使轉子的永磁體隨之變化。

 

實際上
，在以上的說明中
，還有一點沒有提到。即 BLDC 電機中的傳感器的存在。BLDC 電機的控製是配合著轉子（永磁體）的位置（角度）進jin行xing的de。因yin此ci，獲huo取qu轉zhuan子zi位wei置zhi的de傳chuan感gan器qi是shi必bi需xu的de。若ruo沒mei有you傳chuan感gan器qi得de知zhi永yong磁ci體ti的de方fang向xiang時shi，轉zhuan子zi可ke能neng會hui轉zhuan至zhi意yi料liao之zhi外wai的de方fang向xiang。有you傳chuan感gan器qi提ti供gong信xin息xi的de話hua，就jiu不bu會hui出chu現xian這zhe樣yang的de情qing況kuang了le。

 

表 1 中顯示的是 BLDC 電機主要的位置檢測用傳感器的種類。根據控製方式的不同，需要的傳感器也是不同的。在 120 度通電控製中，為判斷要對哪個相通電

，配備了可每 60 度輸入一次信號的霍爾效應傳感器。另一方麵，對於精密控製合成磁通量的“矢量控製”（在下一項中說明）來說，轉角傳感器或光電編碼器等高精度傳感器較為有效。

 

通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)出(chu)位(wei)置(zhi)
，但(dan)也(ye)會(hui)帶(dai)來(lai)一(yi)些(xie)缺(que)點(dian)。傳(chuan)感(gan)器(qi)防(fang)塵(chen)能(neng)力(li)較(jiao)弱(ruo)，而(er)且(qie)維(wei)護(hu)也(ye)是(shi)不(bu)可(ke)或(huo)缺(que)的(de)。可(ke)使(shi)用(yong)的(de)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)也(ye)會(hui)縮(suo)小(xiao)。使(shi)用(yong)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)為(wei)此(ci)增(zeng)加(jia)配(pei)線(xian)都(dou)會(hui)造(zao)成(cheng)成(cheng)本(ben)的(de)上(shang)升(sheng)，而(er)且(qie)高(gao)精(jing)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)本(ben)身(shen)就(jiu)價(jia)格(ge)高(gao)昂(ang)。於(yu)是(shi)

，“無傳感器”這zhe一yi方fang式shi登deng場chang了le。它ta不bu使shi用yong位wei置zhi檢jian測ce用yong傳chuan感gan器qi，以yi此ci控kong製zhi成cheng本ben

，且qie不bu需xu要yao傳chuan感gan器qi相xiang關guan的de維wei護hu。但dan此ci次ci為wei了le說shuo明ming原yuan理li
，因yin此ci假jia定ding已yi從cong位wei置zhi傳chuan感gan器qi獲huo得de了le信xin息xi來lai吧ba。

 

通過矢量控製時刻保持高效率

正弦波控製為 3 相通電，流暢地改變合成磁通量的方向
，因此轉子將流暢地旋轉。120 度通電控製切換了 U 相、V 相、W 相中的 2 相
，以此來使電機轉動，而正弦波控製則需要精確地控製 3 相的電流。而且控製的值是時刻變化的交流值，因此，控製變得更為困難。

 

在這裏登場的便是矢量控製了。矢量控製可通過坐標變換
，把 3 相的交流值作為 2 相(xiang)的(de)直(zhi)流(liu)值(zhi)進(jin)行(xing)計(ji)算(suan)
，因(yin)此(ci)可(ke)簡(jian)化(hua)控(kong)製(zhi)。但(dan)是(shi)，矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)計(ji)算(suan)需(xu)要(yao)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)下(xia)的(de)轉(zhuan)子(zi)的(de)位(wei)置(zhi)信(xin)息(xi)。位(wei)置(zhi)檢(jian)測(ce)有(you)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)，即(ji)使(shi)用(yong)光(guang)電(dian)編(bian)碼(ma)器(qi)或(huo)轉(zhuan)角(jiao)傳(chuan)感(gan)器(qi)等(deng)位(wei)置(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)方(fang)法(fa)，以(yi)及(ji)根(gen)據(ju)各(ge)相(xiang)的(de)電(dian)流(liu)值(zhi)進(jin)行(xing)推(tui)算(suan)的(de)無(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)方(fang)法(fa)。通(tong)過(guo)該(gai)坐(zuo)標(biao)變(bian)換(huan)可(ke)直(zhi)接(jie)控(kong)製(zhi)扭(niu)矩(ju)（旋轉力）的相關電流值，從而實現沒有多餘電流的高效控製。

 

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