无刷直流电机基础
无刷电机设计基础知识三
3 无刷直流电动机的电磁设计3.1 基本要求和主要指标3.1.1基本要求(1) 运行方式直流无刷电动机的运行方式有连续、短时和断续三种(2) 防护形式一般直流电动机的防护型式主要有防护式和封闭式两种。
(3) 温升一般交流电机包括同步电机和感应电机，转子不计算铁耗，然而该类电机正常稳态运行时，定子绕组产生的2个旋转磁场转速与转子本体转速存在较大的转差，转子铁芯损耗不容忽视。
不仅电磁设计时，其电磁负荷的选择应与常规电机有所区别，而且对通风冷却结构设计应予足够的重视。
(4) 效率(5) 电动机的转速变化率明确电机转速运行的最大区间，并应指明电机的常用转速区间，以便选择合适的电机数据，获得良好的力能指标。
3.1.2主要指标①额定功率P N = 100W②额定电压U N = 270V③额定转速n N = 1000 r/min④定子相数m = 3⑤极对数p = 4⑥定子槽数Z = 183.2 主要尺寸的确定3.2.1 定子铁心内径D a的选择我国目前制造的直流电机，其D a 与输出功率P N 的关系曲线如下，它可以作为选定D a 的初步依据。
由于P N /n N =0.0001，从张琛的《直流无刷电动机原理及应用》中图3.1定子内径D a 与单位转速输出功率P N /n N 的关系曲线查得：cm D a 5.5~0.4=，则取cm D a 5=3.2.2 电磁负荷的选择电负荷A 与磁负荷B 的选择与电动机的主要尺寸直接相关。
同时，A ,B 的选择与电动机的运行性能和使用寿命也密切相关，因此必须全面考虑各种因素，才正确选择A,B 的值。
(1) 线负荷A 高，磁负荷B 不变① 电机体积减小，节约材料② B 一定时，由于铁心重量减小，铁耗减小 ③ 绕组用铜量增加④ 增大电枢单位表面上铜耗，绕组温升增高 ⑤ 影响电机参数和电机特性: q a =ρAJ (2) 磁负荷B 高，线负荷A 不变① 电机体积减小，节约材料 ② 基本铁耗增大 ③ 磁路饱和程度增大 ④ 影响电机参数和电机特性电负荷A 与磁负荷B 与定子的内径D a 有关，根据已生产的电动机的经验数据绘制成曲线。
无刷直流电机结构、类型和基本原理
无刷直流电机结构、类型和基本原理2009年10月14日无刷直流电动机一、概述直流电动机的主要优点是调速和启动特性好，堵转转矩大，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。
但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰。
缩短电动机寿命，换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难，长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。
随着电子技术的迅速发展，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。
本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特性。
又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点；它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转要中运行。
元刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。
无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快地发展。
二、无刷直流电动机的基本结构和类型(一)基本结构无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言．可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。
其基本结构如图5一20所示。
电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机．它包括主定子和主转子两部分，主定子上放置空间互差120。
的三相对称电枢绕组Ax、BY、cz，接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成的一对磁极。
转子位置传感器也由定子、转子两部分组成。
定子安装在主电动机壳内，转子和主转子同轴旋转。
它的作用是把主转子的位置检测出来．变成电信号去控制电子开关电路，故也称转子位置检测器。
电子开关电路中的功率开关元件分别与主定子上各相绕组相连接．通过位置传感器输出的信号，控制三极管的导通和截止．从而使主定子上各相绕组中的电流也随着转子位置的改变，按一定的顺序进行切换，实现无接触式的换向。
《无刷直流电机》课件
无刷直流电机结构简单，维护成本较低，而交流电机结构复杂，维护 成本较高。
与永磁同步电机的比较
磁场结构
无刷直流电机采用电子换向，没有永磁同步电机的永磁体，因此 磁场结构不同。
调速性能
永磁同步电机具有较高的效率和转矩密度，但调速范围较窄；而无 刷直流电机调速范围广，适用于多种应用场景。
成本与维护
可靠性
总结词
无刷直流电机具有较高的可靠性，能够保证长期稳定运行。
详细描述
无刷直流电机采用电子换向技术，减少了机械磨损和故障，因此具有较高的可靠 性。此外，无刷直流电机还具有较长的使用寿命和较低的维护成本，这使得它在 需要高可靠性的应用中成为理想选择，如医疗器械、军事装备等领域。
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无刷直流电机的驱动控制
无刷直流电机的成本和维护相对较低，而永磁同步电机由于使用了 永磁材料，成本较高，但具有更高的效率和性能。
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无刷直流电机的发展趋势 与挑战
技术发展趋势
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高效能化
随着技术的进步，无刷直流电机在效率、功率密 度和可靠性方面不断提升，以满足更广泛的应用 需求。
智能化控制
通过引入先进的控制算法和传感器技术，实现无 刷直流电机的智能化控制，提高其性能和稳定性 。
集成化设计
将无刷直流电机与其他部件（如驱动器、传感器 等）集成在一起，简化系统结构，降低成本。
详细描述
无刷直流电机采用先进的电子换向技术，避免了传统直流电 机机械换向器的损耗，因此具有更高的效率和功率密度。这 使得无刷直流电机在需要高效率和高功率密度的应用中表现 出色，如电动工具、电动车等领域。
调速性能
总结词
无刷直流电机具有优良的调速性能，可满足不同应用需求。
直流无刷电机的原理
直流无刷电机的原理
直流无刷电机的原理是基于电磁感应和电子控制技术。
它由定子、转子和电子控制器组成。
1. 定子：定子是电机的固定部分，通常由一组绕制在铁芯上的线圈构成。
定子线圈通过交流或直流电源提供电流，产生磁场。
2. 转子：转子是电机的旋转部分，通常由一组永磁体组成。
通过外加的磁场与定子磁场产生相互作用，驱动转子旋转。
3. 电子控制器：电子控制器是控制电机工作的关键部分。
它监测定子磁场和转子位置的信息，然后根据需求调整电流的方向和大小，使电机保持稳定转速或实现特定的运动控制。
在工作过程中，电子控制器会根据转子位置和速度来切换定子线圈的通电顺序，确保电流在各相线圈之间正确地流动，从而产生一个旋转的磁场。
这个旋转的磁场与转子磁场相互作用，使得转子始终被吸引到下一相线圈的磁力最强的位置，从而保持转子的旋转。
与传统的直流有刷电机相比，直流无刷电机减少了刷子和集电环的摩擦和磨损，提高了电机的效率和寿命。
另外，无刷电机的转子通过永磁体实现磁场，因此转子具有良好的动态响应，能够快速切换磁极，实现高速运动和精确控制。
总结来说，直流无刷电机利用电磁感应和电子控制技术，通过定子线圈和转子永磁体的相互作用，实现电能到机械能的转换。
它具有高效率、长寿命和精确控制等特点，广泛应用于各种领域，如家电、汽车、航空航天等。
无刷直流电机运行原理与基本控制方法
无刷直流电机运行原理与基本控制方法无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDC）是一种采用电子换向器来实现转子绕组换向的直流电机。
相比传统的有刷直流电机，在控制系统和效率方面有很大的优势。
下面将详细介绍无刷直流电机的运行原理和基本控制方法。
运行原理：无刷直流电机的核心部件是转子，上面装有多个永磁体。
转子内的绕组通过电子换向器将电流应用到绕组上，从而产生旋转力。
电子换向器根据传感器反馈的位置信息，控制电流的输入，实现转子绕组的换向。
无刷直流电机根据电子换向器的类型可以分为传感器式和传感器无式两种。
传感器式无刷直流电机通过安装在转子上的霍尔传感器等位置传感器来监测转子位置，并将此信息反馈给电子换向器。
电子换向器根据转子位置信号，控制电机的相序和相电流，实现电机的转动。
传感器无式无刷直流电机则通过估计转子位置来进行控制，无需外部传感器。
在转子上安装的霍尔传感器被去除，由控制器利用电机的后电动势（back electromotive force, BEMF）信号来计算转子位置。
基本控制方法：1.电压控制：电压控制是最基本的控制方法，通过控制电压的大小和频率来改变电机的转速。
在电压控制模式下，电机的角速度和负载之间可通过非线性函数表达，反映了电机的特性。
这种控制方法简单易实现，适用于对转速要求不高的应用。
2.电流控制：电流控制是常用的无刷直流电机控制方法，通过控制电机的相电流大小和方向来实现转速和扭矩的控制。
电流控制可以实现电机的低速高扭矩输出，适用于需要精确控制扭矩输出的应用。
3.速度控制：速度控制是无刷直流电机常用的控制方法之一，通过控制电机绕组的电流来实现转速的控制。
在速度控制模式下，控制器根据转速反馈信号对电流进行调节，使电机保持设定的转速。
这种控制方法适用于需要稳定转速输出的应用。
除了以上三种基本控制方法外，还有一种称为“无刷伺服”（BLDS）的控制方法。
BLDS控制方法将电流控制和速度控制相结合，通过对电流和速度的双闭环控制，可以实现更高精度、更稳定的转速控制。
直流无刷电机工作原理详解无刷电机中的专业知识点
直流⽆刷电机⼯作原理详解⽆刷电机中的专业知识点⽆刷电机⼯作原理电磁学基本知识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。
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。
⽤于判断导线在磁场中受⼒的⽅向：伸开左⼿，使拇指与其他四指垂直且在⼀个平⾯内，让磁感线从⼿⼼流⼊，四指指向电流⽅向，⼤拇指指向的就是安培⼒⽅向（即导体受⼒⽅向）。
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。
⽤于判断在磁场中运动的导体产⽣的电流⽅向：伸开右⼿，使⼤拇指跟其余四个⼿指垂直并且都跟⼿掌在⼀个平⾯内，把右⼿放⼊磁场中，让磁感线垂直穿⼊⼿⼼，⼤拇指指向导体运动⽅向，则其余四指指向感⽣电动势的⽅向。
也就是切割磁感线的导体会产⽣反电动势，实际上通过反电动势定位转⼦位置也是普通⽆感电调⼯作的基础原理之⼀。
右⼿螺旋定则（安培定则）⽤于判断通电线圈的磁场极性：⽤右⼿握螺线管，让四指弯向螺线管中电流⽅向，⼤拇指所指的那端就是螺线管的N极。
直线电流的磁场的话，⼤拇指指向电流⽅向，另外四指弯曲指的⽅向为磁感线的⽅向。
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。
无刷直流电动机的基本结构
图10－4 定子大小齿结构
定子铁心中放置对称的多相（三相、四相或五相）电 枢绕组，对称多相电枢绕组接成星形或封闭形（角形）， 各相绕组分别与电子开关线路中的相应功率开关管相连。 当电动机经功率开关电路接上电源后，电流流入绕组，产 生磁场，该磁场与转子磁场相互作用而产生电磁转矩，电 动机带动负载旋转。电动机转动起来后，便在绕组中产生 反电动势，吸收一定的电功率并通过转子输出一定的机械 功率，从而将电能转换为机械能。要求绕组能流过一定的 电流，产生足够的磁场并得到足够的转矩。
图10－3 无刷直流电动机内转子结构型式 （a）面贴式；（b）内嵌式；（c）整体粘结式
定子是电机本体的静止部分，称为电枢，主要由导磁
定子铁心用硅钢片叠成以减少铁心损耗，同时为减少 涡流损耗，在硅钢片表面涂绝缘漆，将硅钢片冲成带有齿 槽的冲片，槽数根据绕组的相数和极数来定。常用的定子 铁心结构有两种，一种为分数槽(每极每相槽数为分数)集中 绕组结构，其类似于传统直流电机定子磁极的大齿（凸极） 结构，凸极上绕有集中绕组，有时在大齿表面开有多个小 齿以减小齿槽转矩，定子大、小齿结构如图10－4所示；另 一种与普通的同步电动机或感应电动机类似，在叠装好的 铁心槽内嵌放跨接式的集中或分布绕组，其线圈可以是整 距也可以是短距，为减少齿槽转矩和噪音，定子铁心有时 采用斜槽。
2 转子磁场相对于定子绕组位置的检测是无刷直流电动
机运行的关键，对这一位置检测的直接方法就是采用位置 传感器，将转子磁极的位置信号转换成电信号。 正余弦旋转变压器或者编码器也可用作位置传感器，但成 本较高，仅用在精密控制场合。此外，还有利用容易检测 的电量信号来间接判断转子磁极位置的方案，其中最具代 表性的是电动机定子绕组的反电动势过零检测法或者称为 端电压比较法(详见10.6节)
直流无刷电机工作原理应用和结构
电机控制技术《直流无刷电机的基本结构及工作原理和应用》直流无刷电机的基本结构及工作原理和应用一、直流无刷电机的工作原理直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。
在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。
直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。
也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。
直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。
电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。
不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器 (inverter)转成3相电压来驱动电机。
换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂 (Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。
控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。
直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall- sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。
但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
图一：直流无刷驱动器包括电源部及控制部要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器 (inverter)中功率晶体管的顺序，如下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。
无刷电机基础知识
无刷电机基础知识一、无刷直流电机基本概念无刷直流电机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，它是现代电子技术（包括电子电力、微电子技术）、控制理论和电机技术相结合的产物。
和普通的有刷直流电机利用电枢绕组旋转换向不同，无刷电机是利用电子换向并磁钢旋转的电机。
普通的直流电机是利用碳刷进行换向的，碳刷换向存在很大的缺点，主要包括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。
而无刷直流电机的命名就说明了电机的特性：在电机性能上和直流电机性能相近，同时电机没有碳刷。
无刷电机是通过电子换向达到电机连续运转目的的。
无刷电机的换向模式分为方波和正弦波驱动，就其位置传感器和控制电路来说，方波驱动相对简单、价廉而得到广泛利用。
目前，绝大多数无刷电机采用方波驱动，目前市场上的模型电机全部是方波驱动。
二、无刷电机的技术优势及劣势无刷电机的技术优势：1、良好的可控性、宽调速范围。
2、较高的可靠性、工作寿命长、无需经常维护。
3、功率因数高、工作效率高、功率密度大。
同样的，无刷直流电机也存在一定的技术劣势1、需要电子控制器才能工作，增加了技术复杂性和成本、降低了可靠性。
2、转子永磁材料限制了电机使用环境，不适用于高温环境。
3、有明显的转矩波动，限制了电机在高性能伺服系统、低速度纹波系统的应用。
三、无刷电机基本参数命名：外转子电机的命名原则，各个厂家有所不同，有以电机定子的直径高度来命名，也有以电机的直径高度来命名，我司的电机都是以电机定子的直径与高度来命名。
例如2212电机，指的是该电机定子直径22MM，高度8MM。
定子直径：硅钢片定子的直径定子高度（厚度）：硅钢片定子的高度铁芯极数（槽数）：定子硅钢片的槽数量磁钢极数（极数）：转子上磁钢的数量匝数（T）：电机定子槽上面所绕漆包线的圈数，注意，常规匝数指的是相邻2个槽所绕线圈数量的和，即一个槽绕8圈，另外一个也是8圈，就是16T。
直流无刷电机基本原理
直流无刷电机基本原理
1什么是无刷直流电机
无刷直流电机（Brushed DC Motors）是一种经典的电动机，也是最常用的一种电动机。
无刷直流电机（Direct Current Motors）可以使产品运转并实现控制，它一般被用在家用电器、品牌折叠摩托车、电子游戏机、自动售货机、钻头等各类主动势机械上。
2无刷直流电机的基本原理
无刷直流电机可以把电能转换成机械能来实现转动，且能把转动结果反馈给控制系统，所以可以实现转动的控制，主要依靠电磁作用，从而实现无传动机构的转动。
无刷直流电机的内部结构是有磁极的永磁和带有铁心的旋转子构成的。
当外部通过端子接入电源，从而引起电磁感应产生旋转力，进而将机械动能传递给轴心。
此外，电流改变时，也可以改变转动角度，完成控制。
3无刷直流电机的优点
无刷直流电机是工业自动化应用中简易实用的一种传动机械机型，它有几个优点：它可以无极性调速，不需要复杂的调速装置，并可启动、停止和正反转；它可以实现低速多台联合的批量化操作；它具有极高的效率，可以使用效率相对比较高的驱动器；它可以操纵灵巧，完美满足传动系统的非常苛刻的要求。
无刷直流电机也有一些缺点，但是无刷直流电机依然成为机器人工业发展领域中电动机实用性应用最广泛、功能最强大的一种电动机。
无刷直流电动机简介和基本工作原理
无刷直流电动机简介和基本工作原理无刷直流电动机简介直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。
是将交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。
无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,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;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。
无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。
基本工作原理无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。
而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。
驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。
由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流—转矩特性。
无刷直流(BLDC)电机基础
注：
霍尔传感器需要电源。电压范围可以是 4 伏 到 24 伏。所需电流范围为 5 到 15 毫安。 设计控制器时，请参见相应的电机技术规 范，了解霍尔传感器所用的精确电压和电 流范围。霍尔传感器的输出通常采用集电 极 开路 类 型。控制 器 端 可能 需 要上 拉 电 阻。
果。使用无刷电机就无需检修电刷。在维护困难的应用 以及检修空间狭小的场合，无刷电机是理想的选择。 BLDC 电机运行时比有刷直流电机安静得多，并且减少 了电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。低 电压型号对使用电池供电的应用、便携式设备或医疗应 用很理想。
表 1 对 BLDC 电机与有刷直流电机之间的比较进行了总 结。表 2 比较了 BLDC 电机与感应电机。
2007 Microchip Technology Inc.
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转矩 / 转速特性
图 6 展示了转矩 / 转速特性的示例。有两个转矩参数用 于定义 BLDC 电机，峰值转矩（TP）和额定转矩（TR）。 （参数的完整列表请参见附录 A：“典型的电机技术规 范”。）连续运转时，电机的负载会增加直到达到额定转 矩。如前所述，在 BLDC 电机中，转矩在转速达到额定 值之前都保持不变。电机运转可达到的最大转速是额定 转速的 150%，但从超过额定转速起转矩开始下降。
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无刷直流 （BLDC）电机基础
著者： Padmaraja Yedamale Microchip Technology Inc.
引言
无刷直流电机
无刷直流电机无刷直流电机是指不需要刷子与换向器来实现转子的换向的直流电机。
它是一种新型的电机技术，相比传统的刷式直流电机，具有结构简单、高效率、低噪音、寿命长等优点。
因此，无刷直流电机在家电、航空航天、工业自动化等领域得到了广泛的应用。
本文将对无刷直流电机的基本原理、结构设计及应用进行详细的介绍。
一、无刷直流电机的基本原理无刷直流电机的基本原理是利用永磁体产生的磁场与定子线圈产生的磁场之间的交互作用来实现转子的转动。
其基本原理有两个关键点：一是利用霍尔传感器来检测转子位置，从而实现换相控制；二是通过电子换相器控制电流的方向和大小，从而驱动电机转动。
相比传统的刷式直流电机，无刷直流电机在结构上更加简单，没有刷子和换向器，因此能够实现更高的转速和更低的噪音。
二、无刷直流电机的结构设计在无刷直流电机的结构设计中，需要考虑到转子和定子之间的匹配度，以及电子换相器的设计。
转子与定子之间的匹配度决定了电机的效率和转速，而电子换相器的设计则决定了电机的控制精度和稳定性。
因此，在设计无刷直流电机时，需要充分考虑转子和定子的材料选择、加工工艺以及电子换相器的电路设计。
三、无刷直流电机的应用在家电领域，无刷直流电机广泛应用于洗衣机、风扇、吸尘器等家用电器中。
相比传统的刷式直流电机，无刷直流电机具有更高的效率和更低的噪音，能够提供更好的用户体验。
在航空航天领域，无刷直流电机被广泛应用于飞机和导弹等载具中。
由于其结构简单，能够实现高速转动和低噪音，无刷直流电机能够提供可靠的动力支持，提高飞行器的性能。
在工业自动化领域，无刷直流电机广泛应用于机器人和数控设备等自动化设备中。
无刷直流电机能够实现高速转动和精确的位置控制，提高自动化设备的工作效率和精度。
综上所述，无刷直流电机是一种新型的电机技术，具有结构简单、高效率、低噪音、寿命长等优点。
在家电、航空航天、工业自动化等领域具有广泛的应用前景。
未来，随着科技的进步和无刷直流电机技术的不断创新，无刷直流电机将在更多领域得到应用，为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。
无刷直流电机基础
无刷直流电机基础引言无刷直流电机应用及其广泛，它可在家电、汽车、航空、医疗、工业自动化设备和仪器等各种各样的行业中使用。
从它的名称我们可以看出，无刷直流电机是不用电刷进行换向，而是采用电子器件进行换向的。
与有刷直流电机和异步电机相比，无刷直流电机有很多优点，具体表现如下：1、更好的转矩、转速特性2、快速的动态响应3、高效率4、寿命长5、工作无噪声6、较高的转速范围本文将重点讨论无刷直流电机的结构、工作原理、特性和它的主要应用。
附录B是关于无刷直流电机的常用专业术语。
无刷直流电机结构和工作原理无刷直流电机是同步电机的一种。
也就是说定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。
无刷直流电机的结构有单相、两相和三相。
无论哪种结构它的定子绕组数目和其类型相对应。
三相无刷直流电机是应用最广泛和最普遍的，本文重点讨论三相无刷直流电机。
定子无刷直流电机的定子是由定子冲片（钢片叠加而成）和放置在各个槽中的绕组组成（如图3所示）。
一般无刷直流电机的定子结构和同功率的异步电机是相同的，不同只是它绕组的分布方式。
大部分无刷直流电机的三相绕组是绕成星型的。
每相绕组都是由若干个线圈组成的。
每极下的绕组数目都是均等的。
无刷直流电机根据其定子绕组驱动电流的不同分为梯形和正弦波电机。
不通的连接方式会产生不同类型的反电动势，具体参考“反电动势的定义”章节。
从图1和图2中我们可以看出梯形波电机的反电动势是梯形的，正弦波电机的反电动势是正弦的。
同样，它们的相电流也是梯形和正弦的。
但是正弦波电机的输出转矩比梯形波电机的输出转矩更加平滑。
根据电机的额定功率，应该选择合适的输入电压。
汽车、机器人等产品中电机的电压是48V甚至低于48V，而在自动化器械、家用电器等工业应用中电机的电压为大于等于100V。
图3 无刷直流电机的定子图1 梯形波反电动势图2 正弦波反电动势转子转子是由永磁体组成的，磁钢的磁极N和S是交替放置的。
根据所需要的磁场密度选择合适的永磁体。
直流无刷培训资料
直流无刷培训资料在现代电气技术的领域中，直流无刷电机以其高效、可靠、调速性能好等诸多优点，成为了众多应用场景中的热门选择。
从工业自动化到家用电器，从电动汽车到航空航天，直流无刷电机的身影无处不在。
为了让大家更好地理解和掌握直流无刷电机的相关知识，本文将为您提供一份全面的直流无刷培训资料。
一、直流无刷电机的基本原理直流无刷电机的工作原理与传统的有刷直流电机有一定的相似性，但又有着显著的区别。
传统的有刷直流电机通过电刷和换向器来实现电枢绕组中电流的换向，从而使电机持续旋转。
然而，电刷和换向器的存在不仅会产生摩擦和磨损，降低电机的效率和可靠性，还会限制电机的转速和使用寿命。
直流无刷电机则采用电子换向装置来代替电刷和换向器。
它通常由定子、转子和位置传感器组成。
定子上布置有绕组，而转子则由永磁体构成。
位置传感器用于检测转子的位置，并将信号反馈给电子换向装置，从而控制定子绕组中电流的通断和方向，实现电机的持续旋转。
二、直流无刷电机的结构特点1、定子定子铁芯：一般由硅钢片叠压而成，以减少涡流损耗。
定子绕组：常见的有集中绕组和分布绕组两种形式。
2、转子永磁体：提供磁场，常见的有钕铁硼、钐钴等高性能永磁材料。
磁钢安装方式：可以分为表贴式和内嵌式。
3、位置传感器霍尔传感器：是一种常见的位置传感器，具有成本低、响应速度快等优点。
光电编码器：精度较高，但成本也相对较高。
三、直流无刷电机的优点1、高效节能由于没有电刷和换向器的摩擦损耗，直流无刷电机的效率通常比有刷直流电机高。
2、调速性能好通过改变输入电压或控制信号的频率，可以实现电机转速的平滑调节。
3、可靠性高没有电刷和换向器的磨损，减少了故障点，提高了电机的可靠性和使用寿命。
4、低噪音、低振动运行平稳，产生的噪音和振动较小，适用于对环境要求较高的场合。
四、直流无刷电机的控制方式1、方波控制也称为六步换向控制，控制方式简单，但电机运行时转矩脉动较大。
2、正弦波控制能够实现更加平滑的转矩输出，减小转矩脉动，但控制算法相对复杂。
BLDC电机基础知识
转子 转子是实现机电能量转换的枢纽也叫电枢
转子用永磁体制成，可有 2 到 8 对磁极，南磁极和北磁 极交替排列。
要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性 材料。传统使用铁氧体来制造永磁体。随着技术的进 步，稀土合金磁体正越来越受欢迎。铁氧体比较便宜， 但缺点是给定体积的磁通密度低。相比之下，合金材料
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图 5：
BLDC 器磁体
定子绕组
转子北磁极
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转子南磁极 轴的驱动端
图 5 展示了 BLDC 电机的横截面，转子具有相互交替的 南北永磁体磁极。霍尔传感器嵌入在电机的静止部分 中。将霍尔传感器嵌入定子的过程很复杂，因为这些霍 尔传感器相对转子磁体的位置稍有不对齐，都会在判断 转子位置时造成错误。为了简化在定子上安装霍尔传感 器的过程，有些电机可能除了主转子磁体外，还在转子 上安装霍尔传感器磁体，它们的体积比转子磁体小。每 当转子转动时，霍尔传感器磁体就会产生和主磁体一样 的效果。霍尔传感器通常装在 PCB 电路板上，固定在非 驱动端的外壳盖上。这使得用户可以整体调整所有的霍 尔传感器，以便与转子磁体对齐，从而获得最佳性能。
表 1：
将 BLDC 电机与有刷直流电机比较
特性
BLDC 电机
有刷直流电机
换向
根据霍尔位置传感器进行电子换向。
采用电刷换向。
维护 寿命
由于无电刷而较少需要。 较长。
需要定期维护。 较短。
转速 / 转矩特性 效率
平坦——在负载额定的条件下，可在所有转速下正常 工作。
高——没有电刷两端的压降。
中等平坦——转速较高时，电刷摩擦增加，因此减少 了有用转矩。
无刷直流电机工作原理
无刷直流电机工作原理无刷直流电机，也称为永磁同步电机，是一种使用永磁体作为励磁源，通过电子器件将电流进行控制的直流电机。
相比传统的刷式直流电机，无刷直流电机具有效率高、寿命长、无电刷磨损等优点，因此在许多领域被广泛应用。
一、无刷直流电机的基本原理无刷直流电机的基本原理是电磁互作用，通过电流在永磁体和绕组之间产生的磁场相互作用，在转子上产生驱动转动的力。
在无刷直流电机中，永磁体通常置于定子上，通过外加直流电源进行励磁。
转子上的绕组被称为“驱动绕组”，通过在驱动绕组中施加不同的电流，可产生不同的磁场。
二、无刷直流电机的基本结构无刷直流电机主要由转子、定子、传感器、控制器等组成。
1. 转子：转子是无刷直流电机的旋转部分，通常由永磁体和绕组组成。
永磁体的磁场与定子绕组的磁场相互作用，产生旋转力。
2. 定子：定子是无刷直流电机的静止部分，通常包括固定的绕组和铁芯。
定子绕组通过外加的电流产生磁场，与转子的磁场相互作用，驱动转动。
3. 传感器：传感器用于检测转子位置和速度等信息，并将其反馈给控制器。
常见的传感器包括霍尔传感器、光电传感器等。
4. 控制器：控制器是无刷直流电机的核心部件，用于根据传感器反馈的信息，控制驱动绕组的电流，从而实现转子的精准控制。
三、无刷直流电机的工作过程无刷直流电机的工作过程可以分为电气转子和机械转子两个阶段。
1. 电气转子阶段：在电气转子阶段，控制器根据传感器反馈的转子位置信息，确定要施加给驱动绕组的电流。
根据电流的方向和大小，驱动绕组上的磁场与定子磁场相互作用，产生转矩。
在电气转子阶段，控制器会周期性地改变驱动绕组上的电流方向和大小，以确保转矩的连续性和平稳性。
通过精密的控制，无刷直流电机可以实现精准的速度和位置控制。
2. 机械转子阶段：在电气转子阶段完成后，转子进入机械转子阶段。
在机械转子阶段，转子受到的驱动力逐渐减小，最终达到平衡状态。
此时，无刷直流电机转子的运动速度和位置由外界负载和机械特性决定。
BLDC电机基础介绍【经典】
表 1：
将 BLDC 电机与有刷直流电机比较
特性
BLDC 电机
有刷直流电机
换向 维护 寿命 转速 / 转矩特性
效率 输出功率 / 体积
转子惯性 转速范围 产生的电子干扰 制造成本 控制 控制要求
图 3：
BLDC 电 机的定子
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冲压槽 定子绕组
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转子
转子用永磁体制成，可有 2 到 8 对磁极，南磁极和北磁 极交替排列。
要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性 材料。传统使用铁氧体来制造永磁体。随着技术的进 步，稀土合金磁体正越来越受欢迎。铁氧体比较便宜， 但缺点是给定体积的磁通密度低。相比之下，合金材料
实现较小的体积。
之比低于 BLDC。
小——动态特性较佳。
大——动态特性较差。
额定值——无需专门的起动电路。
大约是额定值的 7 倍——应谨慎选择合适的起动电 路。通常使用星形－三角形起动器。
要保持电机运转，始终需要控制器。还可使用这一控 固定转速不需要控制器；1：
梯形反电动势
0 相 A-B
60 120 180 240 300 360 60
相 B-C
相 C-A
图 2：
正弦反电动势
0 60 120 180 240 300 360 60 相 A-B
相 B-C 相 C-A
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无刷直流电机运行原理与基本控制方法
无刷直流电机运行原理与基本控制方法无刷直流电机（Brushless DC Motor，简称BLDC）是一种新型的电机，它与传统的有刷直流电机相比具有无刷、长寿命、低噪音、高效率等优点，因此在众多电动设备中得到广泛应用。
下面将介绍无刷直流电机的运行原理以及基本控制方法。
无刷直流电机由转子和定子组成。
定子上通常安装有三个正弦波分布的绕组，转子上安装有多个永磁体。
当电源施加在定子绕组上时，绕组内产生三相交流磁场，永磁体受到定子磁场的作用而旋转。
无刷电机实际上是一种由电脉冲驱动的电机，控制器通过给定的电流波形控制磁场的大小和方向，从而控制电机的转速和方向。
1.开环控制：开环控制是指在控制电机转速时仅根据给定转速信号来控制电机的工作状态，不考虑电机实际转速，也不进行反馈控制。
开环控制简单、成本低，但对于负载变化、电压波动等因素敏感，稳定性较差。
开环控制主要有直接转速控制和扭矩控制两种方式。
(1)直接转速控制：通过控制输入电压或电流的大小来控制电机的转速。
比如，PWM控制器可以根据所设定的占空比控制电流的大小，从而影响电机的转速。
(2)扭矩控制：通过控制输入电流的大小来控制电机的输出扭矩。
可以使用电流传感器来测量电机的电流，并通过调整电流大小来控制扭矩输出。
2.闭环控制：闭环控制是在开环控制的基础上加入反馈控制，以提高电机的稳定性和动态性能。
闭环控制可以根据电机实际转速与设定转速之间的误差来调整控制信号，从而使电机的运行更加精确。
通常使用位置传感器、速度传感器或反电动势等反馈信号来进行闭环控制。
闭环控制的主要方式包括位置环控制、速度环控制和电流环控制。
(1)位置环控制：通过位置传感器检测电机的位置，并将该信息与设定位置进行比较，然后根据误差信号进行控制。
位置环控制可以实现较高的精度，但对传感器的要求较高。
(2)速度环控制：通过速度传感器检测电机的转速，并将该信息与设定转速进行比较，然后根据误差信号进行控制。
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半桥控制转矩示意
电机在运行过程中，转矩的变化很大，从Tm/2→Tm，使电机的 转矩脉动很大，不适合在高精度的控制场合
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BLDC全桥控制框图
3
在两两换向的情况下，其合成转矩比半桥控制增加了 3 倍，每隔60°电角 度换相一次，每个功率管导通120°，每个绕组通电240°。
12
BLDC全桥控制转矩
稀土合金磁体有钕（Nd）、钐钴（SmCo）以及钕铁硼、铁氧 体合金（NdFeB）等。
7
霍尔传感器
和有刷直流电机不同，BLDC 电机的换向是以电子方式控制的。要使BLDC 电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。为了确定按照通电顺序哪一个绕 组将得电，知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器 检测。
无刷直流（BLDC）电机基础
1
定义
BLDC 电机是同步电机中的一种。也就是说，定子产生的磁场与转子产生的 磁场具有相同的频率。BLDC 电机不会遇到感应电机中常见的“差频”问题。
（所谓“同步”就是电枢绕组流过电流后，将在气隙中成一旋转 磁 场，而该磁 场的旋转方向及旋转速度均与转子转向，转速相同，故为同步。）
15
电机速度控制的实现
转矩和转速特性
在连续工作区，电机可被加载直至额定转矩Tr。 在电机启停阶段，需要额外的力矩克服负载惯性，这时可使其短时工作在短 时工作区，只要其不超过电机峰值力矩Tp，且在特性曲线之内即可。
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电机转速控制方法
1. 在BLDC电机中，力矩正比于电流，速度正比于电压。 2. 为了使BLDC电机速度可变，必须在绕组的两端加可变电 压。 3. 在电机控制中，采用PWM的形式对绕组两端的电压进行 调节。梯形
定子绕组：正弦
5
转子
转子用永磁体制成，可有2 到8 对磁极，南磁极和北磁 极交替排列
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定子永磁体材料
一般采用铁氧体，优点是比较便宜，但缺点是给定体积的磁通
密度低。相比之下，合金材料单位体积的磁场密度高，生成相 同转矩所需的体积小。同时，这些合金磁体能改善体积与重量 之比，比使用铁氧体磁芯的同体积电机产生的转矩更大。
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谢谢大家！
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BLDC 电机可配置为单相、两相和三相。定子绕组的数量与其类型对应。 三相电机最受欢迎，使用最普遍。
2
BLDC的基本组成
BLDC电机结构框图
3
构造和原理
BLDC 电机的定子由铸钢叠片组成， 绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽 中。
这些绕组中的每一个都是由许多线圈互组成 的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们 相互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕 组以构成均匀布的磁极
全桥控制时，转矩的脉动比半桥时小得多，只是从0.87Tm→Tm。
13
BLDC的换向控制
BLDC 电机转动时，每个绕 组都会产生叫做反电动势 （反电动势）的电压，根据 楞次定律，其方向与提供给 绕组的主电压相反。这一反 电动势的极性与励磁电压相 反。
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电机的正转与反转
顺时针转动电机的顺序
逆时针转动电机的顺序
每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低 电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器 信号的组合，就能决定换向的精确顺序
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BLDC 电机与其他类型的电机比较
9
BLDC的半桥控制
在三相半控电路中，要求位置传感器输出信号的1/3周期为高电平， 2/3周期为低电平。在同一时刻只有一相线圈导通，这样使其效率 非常低下。
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PWM波的生成
1.利用PWM技术，通过控制PWM信号的不同占空比，则绕组上的平均 电压可以被控制，从而控制电机的转速 2.在采用DSP或单片机时，可利用器件中的PWM产生模块生成PWM波 形。 3.根据转速要求设定占空比，然后输出6路PWM信号，加到6个功率管 上。
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PWM波的死区
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PWM控制信号调制方式
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PWM波的概念
PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，“脉冲宽度调制”，简称脉宽调制。 它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛 应用于测量分析、功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷 的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管 导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。