“无刷时代”——直流无刷电机

无刷电机是指无电刷和换向器的电机，又称无换向器电机，它由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。直流无刷电机是经过了许多次发展的结晶，回溯十九世纪时代，产生的实用性电机就是无刷形式，这种电机在当时受到了广泛应用，但是新生品总有缺陷，所以电机技术发展缓慢。直到上世纪中叶晶体管的诞生，采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了，它克服了第一代无刷电机的缺陷，被称为电子换向式直流电机。

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直流无刷电机工作原理

直流无刷电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 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。

电动机的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。

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直流无刷电机结构

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=60.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。

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。

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直流无刷电机特点

1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速;

2、具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构;

3、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载;

4、体积小、重量轻、出力大;

5、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小;

6、无级调速，调速范围广，过载能力强;

7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置;

8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%。

9、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单;

10、耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长;

11、不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型;

12、根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。

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直流无刷电机应用领域

直流无刷电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途:

持续负载应用：主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。

可变负载应用：主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。

定位应用：大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。

实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电机因受到价格的限制，其应用还不十分广泛。