电机世界之直流无刷电机（科普文）
之前我們介紹了電機家族里結構最簡單的直流有刷電機（Brushed DC Motor），只要給電刷兩端通上電，就可以使其工作。
但是有刷電機有一個比較令人討厭的缺點：那就是“吵”（noisy）。因為電刷和換向環需要時刻不停地摩擦，才能給電樞供電。所以，如果你想要一個“靜音風扇”的話，肯定不能選使用了有刷電機的產品。
并且電刷使用時間久了，比較容易損壞。電流較大的時候，你甚至可以看到電刷在換向的時候噼里啪啦地冒火花，也是挺嚇人的。而這些缺點，在下面將要介紹的直流無刷電機（Brushless DC Motor）里，一樣都沒有！
我們將從以下四個方面來給大家介紹直流無刷電機（以下簡稱BLDC）：
1，BLDC的優缺點；
2，BLDC的工作原理；
3，BLDC的控制方式；
4，BLDC的實際使用。
/ BLDC的優缺點 /
直流無刷電機，從字面上看，其最大的特點，就是“無刷”，也就是沒有電刷的意思。
就因為沒有電刷，它非常完美地避開了有刷電機的那幾個缺點。所以反過來說，它主要的優點就是：
1，壽命長；
2，能夠做到靜音；
3，效率高（損耗低）；
4，體積較小；
5，穩定性高。
至于缺點，等我們了解它的工作原理和控制方式以后，自然而然就明白了。
/ BLDC的工作原理 /
BLDC是電機的一種，所以它最基本的構成也離不開定子（stator）和轉子（rotor）。還記得有刷電機的基本結構嗎？有刷電機的定子是永磁體，而它的轉子，則是通電的線圈（繞組）。如下圖：
但是對于BLDC來說，情況恰恰相反！
BLDC的定子（stator）是通電的線圈，而轉子（rotor）卻是永磁體！
從“麥克斯韋-安培定律”可以知道，通電線圈附近的空間會產生磁場。而磁場的分布方向，我們可以用“右手定則”得出。如下圖：
其實這就是我們常說的“電磁鐵”了！
那么接下來的事情就簡單了，磁鐵的特性是什么？估計小學生都會大聲說出它的答案：
同性相斥，異性相吸！
所以，我們只要給定子上的線圈接入方向適當的電流，即讓電磁鐵的磁極方向和永磁體的磁極方向正好對應，不就能排斥、或者吸引轉子做旋轉運動了嘛。
上圖就是按順序單獨給線圈通電，使其朝向轉子的方向為電磁鐵的S極，吸引轉子順時針方向旋轉
這個轉子像不像一頭正在拉磨的驢，一直被前面的胡蘿卜（定子）所吸引，最終一刻不停地往前走呢？
* 定子的優化 *
以上的驅動方式，即按順序單獨給每個線圈通電，雖然可行，但是未免太過繁瑣，效率低下。因此，實際上的BLDC會將那六個線圈兩兩組合，分成A，B，C三個繞組，如下圖：
這樣我們就可以同時驅動兩個電磁鐵了，效率立馬提高了一倍，有沒有！
但是這還只是用了磁鐵“吸引”的特性，別忘了磁鐵還有“排斥”的特性。
如果我們再同時驅動另外一組線圈，讓上一組線圈“吸引”轉子的時候，另外一組線圈“排斥”轉子，那么我們的轉子將會獲得更高的驅動力！如下圖：
到目前為止，相信你已經對BLDC的工作原理有了比較深入的了解。這個模型已經開始接近實際的BLDC產品了。
但是對于上面的模型，我們需要給兩個繞組同時提供方向相反的兩組電源，才能同時達到“吸引”和“排斥”的效果。這對于實際應用來講，未免過于復雜，成本也太高。
接下來我們要講的“BLDC的控制方式”章節，將會解決上面這個問題。
/ BLDC的控制方式 /
原來的A,B,C三個繞組是各自獨立的，因此控制起來非常麻煩。那如果我們把A,B,C三個繞組接在一起，拼成一個“星形連接（star arrangement）”，結果會是怎么樣？
本來三個繞組，引出六根線；現在引出的線減少到只有三根線，那么這么接怎么實現跟六根線一樣的控制效果呢？如下圖：
電源正極接在右上角的A繞組輸入，而電源的負極接在了左下角的B繞組輸出。這個時候A繞組和B繞組同時被驅動，而且其極性正好相反，實現了三個繞組獨立驅動時一樣的效果！
所以只要按照這個順序：AB-AC-BC-BA-CA-CB，這六個節拍，依次循環驅動定子的繞組，轉子就能一直旋轉下去！
可以使用六個電子開關來實現這六個節拍的驅動，如下圖：
* 位置檢測 *?
我們雖然已經知道了控制轉子的六個節拍的方法。但是你有沒有發現一個新的問題：如果不知道轉子的位置，如何知道何時該驅動哪個繞組？所以我們必須要知道轉子的當前位置！
而轉子的位置檢測，一般有兩種方式：
1，霍爾傳感器檢測法；
如下圖，在定子里放上H1,H2,H3，三個霍爾傳感器，就可以知道當前的定子的確切位置。
霍爾傳感器的輸出用高低電平來表示：
2，反向電動勢檢測法；
反向電動勢（Back EMF）檢測法是基于電磁感應原理：當沒有通電的繞組周圍的磁場（磁通量）改變時，會在這個繞組上感應出一個電動勢，我們只要檢測這個電動勢的大小和方向，也能知道當前定子的位置。
這兩種檢測方式各有優缺點：霍爾傳感器檢測精度更高一點，但是成本也較高；相反，反向電動勢檢測法經濟性更好，但是精度稍低。
* 內轉子 or 外轉子 *
BLDC有兩種結構：轉子在內的叫做內轉子BLDC；相反，轉子在外的叫做外轉子BLDC。
相對來說，外轉子BLDC應用更多一點。主要原因是外轉子BLDC在機械結構上更穩定。
這是因為電機轉子在高速運行下，由于離心力的作用，會有向外擴張的趨勢。所以內轉子BLDC需要非常高的機械精度，保證轉子和定子不會打架。但是如果預留的距離太遠，又會導致漏磁而影響電機的整體效率。
但是在外轉子BLDC上卻沒有這個問題，因為外轉子天然不受擴張影響。
/ BLDC的缺點 /
我們現在再回到前面遺留下的問題：BLDC的缺點是什么？相信聰明的你已經可以猜到：我們花了那么多的篇幅來講BLDC的控制方式，足以看到其控制的難度，相對于有刷電機來說，是高出了不少的！
所以說BLDC最大的缺點，就是他的控制難度高，驅動電調（Electronic Speed Control，簡稱ESC）價格較高。
它還有一個缺點，就是BLDC由于感抗的原因，啟動時會伴隨著抖動，不像有刷電機的啟動那么平穩。
綜上所述，有刷電機和BLDC各有優缺點，都不是完美的。如何選擇要視具體的應用場景而定。那接下來我們就來看看，BLDC的實際應用場景吧。
/ BLDC的實際應用 /
1，靜音散熱風扇
風冷是很多設備散熱的首選。例如市面上很多主打“靜音”的機箱，如果是使用風冷，里面的散熱風扇基本都是使用BLDC。
用來給筆記本電腦散熱的底座也常用BLDC：
除此之外，一些大型的通風散熱系統里面，使用的也是BLDC風扇。
2，電動四軸/多軸無人機
大部分較大功率的電動四軸/多軸無人機使用的都是BLDC，適配上合適的電調（ESC），再使用PWM來控制BLDC調速是非常方便的。
3，電動工具
國內生產的電扳手基本上都使用了BLDC，還有大部分的手電鉆也一樣。主要是因為BLDC的高效率，而使得電池供電的電動工具續航時間更長。還有一點是無刷電機的扭矩輸出非常穩定，如下圖：
這是其他類型的電機很難做到的一個特點。
除了以上三類以外，還有冰箱壓縮機，冰柜冷卻風機，以及近幾年很火的空氣凈化器、吸塵器/掃地機器人等，使用的都是BLDC驅動。
/ 結語 /
以上就是今天要介紹的無刷電機BLDC的全部內容了。當然，這里只是一個非常基本的介紹，如果想要完美地控制一個BLDC工作起來，還需要小伙伴們繼續不斷地深入學習。
文中部分圖片來自網站：https://howtomechatronics.com/
總結
以上是生活随笔為你收集整理的电机世界之直流无刷电机（科普文）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： 关于移动端token解决方案
- 下一篇： vue中src路径的写法