無刷直流（BLDC）電機(jī)的原理及正確的使用方法

當(dāng)工程師想利用電氣、電子的機(jī)器在現(xiàn)實(shí)世界中做些什么時(shí)，他們會(huì)思考怎樣才能將電信號變?yōu)椤傲Α保繉㈦娦盘栟D(zhuǎn)換為力的就是傳動(dòng)器，即電機(jī)?？梢詫㈦姍C(jī)視作“將電氣轉(zhuǎn)換為機(jī)械的力的元件”。

最基本的電機(jī)是 “DC電機(jī)（有刷電機(jī)）”。在磁場中放置線圈，通過流動(dòng)的電流，線圈會(huì)被一側(cè)的磁極排斥，同時(shí)被另一側(cè)磁極所吸引，在這種作用下不斷旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中令通向線圈中的電流反向流動(dòng)，使其持續(xù)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)中有個(gè)叫"換向器"的部分是靠"電刷"供電的，"電刷"的位置在"轉(zhuǎn)向器"上方，隨著旋轉(zhuǎn)不斷移動(dòng)。通過改變電刷的位置，可使電流方向發(fā)生變化。換向器和電刷是DC電機(jī)的旋轉(zhuǎn)所不可或缺的結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 DC電機(jī)（有刷電機(jī)）的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

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

活躍于多個(gè)領(lǐng)域的電機(jī)

我們按電源種類和轉(zhuǎn)動(dòng)原理對電機(jī)進(jìn)行了分類（圖2）。讓我們來簡單看看各類電機(jī)的特點(diǎn)和用途吧。

圖2 電機(jī)的主要類型

構(gòu)造簡單而又容易操控的DC電機(jī)（有刷電機(jī)）通常被用在家電產(chǎn)品的“光盤托盤的開閉”等用途上?；蛴迷谄嚨摹半妱?dòng)后視鏡的開閉、方向控制”等用途上。雖然它既廉價(jià)又能用在多個(gè)領(lǐng)域上，但它也有缺陷。由于換向器會(huì)和電刷接觸，它的壽命很短，必須定期更換電刷或保修。

步進(jìn)電機(jī)會(huì)隨著向其發(fā)出的電脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)。它的運(yùn)動(dòng)量取決于向其發(fā)出的電脈沖數(shù)，因此適用于位置調(diào)整。在家庭中通常被用于“傳真機(jī)和打印機(jī)的送紙”等。由于傳真機(jī)的送紙步驟取決于規(guī)格（刻紋、細(xì)致度），因此隨著電脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)非常便于使用。很容易解決信號一旦停止機(jī)器就會(huì)暫時(shí)停止的問題。

旋轉(zhuǎn)數(shù)隨電源頻率變化的同步電機(jī)被用于“微波爐的旋轉(zhuǎn)桌”等用途上。電機(jī)組里有齒輪減速器，可以得到適合加熱食品的旋轉(zhuǎn)數(shù)。感應(yīng)電機(jī)也受電源頻率的影響，但頻率和旋轉(zhuǎn)數(shù)不一致。以前這類AC電機(jī)被用在風(fēng)扇或洗衣機(jī)上。

由此可見，各式各樣的電機(jī)活躍于多個(gè)領(lǐng)域。其中，BLDC電機(jī)（無刷電機(jī)）具有怎樣的特點(diǎn)才會(huì)用途如此之廣呢？

BLDC電機(jī)是如何旋轉(zhuǎn)的？

BLDC電機(jī)中的“BL”意為“無刷”，就是DC電機(jī)（有刷電機(jī)）中的“電刷”沒有了。電刷在DC電機(jī)（有刷電機(jī)）里扮演的角色是通過換向器向轉(zhuǎn)子里的線圈通電。那么沒有電刷的BLDC電機(jī)是如何向轉(zhuǎn)子里的線圈通電的呢？原來BLDC電動(dòng)機(jī)電機(jī)采用永磁體來做轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子里是沒有線圈的。由于轉(zhuǎn)子里沒有線圈，所以不需要用于通電的換向器和電刷。取而代之的是作為定子的線圈（圖3）。

DC電機(jī)（有刷電機(jī)）中被固定的永磁體所制造出的磁場是不會(huì)動(dòng)的，通過控制線圈（轉(zhuǎn)子）在其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場來旋轉(zhuǎn)。要通過改變電壓來改變旋轉(zhuǎn)數(shù)。BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，通過改變周圍的線圈所產(chǎn)生的磁場的方向使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

圖3 BLDC電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

BLDC電機(jī)將永磁體作為轉(zhuǎn)子。由于無需向轉(zhuǎn)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(jìn)行控制。

BLDC電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

BLDC電機(jī)的定子上有三個(gè)線圈，每個(gè)線圈有兩根電線，電機(jī)中共有六根引出線。實(shí)際上，由于是內(nèi)部接線，通常只需要三根線，但還是比先前所說的DC電機(jī)（有刷電機(jī)）要多出一根。純靠連接電池的正負(fù)極是不會(huì)動(dòng)的。至于如何運(yùn)行BLDC電機(jī)將在本系列的第二回中進(jìn)行說明。此次我們要關(guān)注的是BLDC電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

BLDC電機(jī)的第一個(gè)特點(diǎn)是“高效率”?？梢钥刂扑幕匦Γㄅぞ兀┦冀K保持最大值。DC電機(jī)(有刷電機(jī))的話，旋轉(zhuǎn)過程中最大扭矩只能保持一個(gè)瞬間，無法始終保持最大值。若DC電機(jī)（有刷電機(jī)）想要得到和BLDC電機(jī)一樣大的扭矩，只能加大它的磁鐵。這就是為什么小型BLDC電機(jī)也能發(fā)出強(qiáng)大力量的原因。

第二個(gè)特點(diǎn)是“良好的控制性”，與第一個(gè)有所關(guān)聯(lián)。BLDC電機(jī)可以絲毫不差的得到你所想要的扭矩、旋轉(zhuǎn)數(shù)等。BLDC電機(jī)可以精確地反饋目標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩等。通過精確的控制可以抑制電機(jī)的發(fā)熱和電力的消耗。若是電池驅(qū)動(dòng)，則能通過周密的控制，延長驅(qū)動(dòng)時(shí)間。

除此之外還有耐用，電氣噪音小等特點(diǎn)。上述兩點(diǎn)是無電刷所帶來的優(yōu)勢。而DC電機(jī)（有刷電機(jī)）由于電刷和換向器之間的接觸，長時(shí)間使用會(huì)有損耗。接觸的部分還會(huì)產(chǎn)生火花。尤其是換向器的縫隙碰到電刷時(shí)會(huì)出現(xiàn)巨大的火花和噪音。若不希望使用過程中產(chǎn)生噪音，會(huì)考慮采用BLDC電機(jī)。

BLDC電機(jī)適用于這些方面

高效率、多樣操控、壽命長的BLDC電機(jī)一般會(huì)用在哪些地方呢？往往被用于能夠發(fā)揮其高效率、壽命長的特點(diǎn)，被連續(xù)使用的產(chǎn)品中。例如：家電。人們很早就開始使用洗衣機(jī)和空調(diào)了。最近電風(fēng)扇中也開始采用BLDC電機(jī)，并成功促使消耗電力大幅度下降。正是因?yàn)樾矢卟抛屜碾娏ο陆档摹?/p>

吸塵機(jī)中也采用了BLDC電機(jī)。在某個(gè)事例中，通過變更控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)數(shù)的大幅度上升。這個(gè)事例體現(xiàn)了BLDC電機(jī)的良好控制性。

作為重要存儲(chǔ)介質(zhì)的硬盤，其旋轉(zhuǎn)部分也采用了BLDC電機(jī)。由于它是需要長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，因此耐用性很重要。當(dāng)然，它還有極力抑制電力消耗的用途。這里的高效率也和電力的低消耗有關(guān)。