電氣設備通常具有至少一個用于使物體從其初始位置旋轉或移位的電動機。市場上有各種類型的電機，包括感應電機，伺服電機，直流電機（有刷和無刷）等。根據應用要求，可以選擇特定的電機。然而，目前的趨勢是大多數新設計正朝著無刷直流電機發(fā)展，通常稱為BLDC電機。
本文將集中討論BLDC電機設計的以下幾個方面：
- BLDC電機的結構
- BLDC電機的操作
- 扭矩和效率要求
- 與感應和有刷直流電機的比較
- BLDC電機的選擇標準
- 電機控制 - 速度，位置和扭矩，將在本文第二部分中介紹。
施工
無刷直流電動機在結構和工作原理方面與交流感應電動機和有刷直流電動機有許多相似之處。與所有其他電機一樣，BLDC電機也有轉子和定子。
定子
與感應交流電動機類似，BLDC電動機定子由疊層鋼制成，??堆疊起來以承載繞組。定子中的繞組可以布置成兩種模式; 即星形圖案（Y）或三角形圖案（Δ）。兩種模式之間的主要區(qū)別在于Y模式在低RPM下提供高扭矩，而Δ模式在低RPM下提供低扭矩。這是因為在Δ配置中，一半的電壓施加在未被驅動的繞組上，因此增加了損耗，進而增加了效率和轉矩。
定子中的鋼制疊片可以開槽或無槽，如圖2所示。無槽鐵芯具有較低的電感，因此可以以非常高的速度運行。由于疊片堆中沒有齒，因此對齒槽轉矩的要求也會降低，因此也使它們成為低速的理想配合（當轉子上的永磁體和定子上的齒相互對齊時，由于兩者之間的相互作用，產生不希望的齒槽轉矩并導致速度波動。無槽芯的主要缺點是成本較高，因為它需要更多的繞組來補償更大的氣隙。
正確選擇用于定子結構的層壓鋼和繞組對于電動機性能至關重要。選擇不當可能會在生產過程中導致多個問題，從而導致市場延遲和設計成本增加。
轉子
典型BLDC電機的轉子由永磁體制成。根據應用要求，轉子中的極數可以變化。增加極數確實可以提供更好的扭矩，但代價是降低最大可能的速度。
影響最大扭矩的另一個轉子參數是用于構造永磁體的材料; 材料的磁通密度越高，扭矩越高。
工作原理和運作
BLDC電機工作的基本原理與有刷直流電機相同; 即內軸位置反饋。在有刷直流電機的情況下，使用機械換向器和電刷實現反饋。使用BLDC電機，可以使用多個反饋傳感器實現。最常用的傳感器是霍爾傳感器和光學編碼器。
注意：霍爾傳感器采用霍爾效應原理，當載流導體暴露在磁場中時，電荷載體會受到基于導體兩側產生的電壓的作用力。
當轉子開始移動時，該扭矩達到最大值，但隨著兩個磁場彼此對齊，它會減小。因此，為了保持扭矩或建立旋轉，定子產生的磁場應保持切換。為了趕上定子產生的磁場，轉子將繼續(xù)旋轉。由于定子和轉子的磁場都以相同的頻率旋轉，因此它們屬于同步電動機的范疇。
定子的這種切換以建立旋轉被稱為換向。對于三相繞組，換向有6個步驟; 即，6種獨特的組合，其中電動機繞組將被激勵。
用于實現BLDC電機的驅動
電路和波形將在本文的第二部分中討論。
扭矩和效率
對于電動機的研究，扭矩是一個非常重要的術語。根據定義，扭矩是力使物體繞其軸線旋轉的趨勢。
因此，為了增加扭矩，必須增加任何一個力 - 這需要更強的磁鐵或更大的電流 - 或者必須增加距離 - 這將需要更大的磁鐵。效率對于電機設計至關重要，因為它決定了功耗。更高效的電動機還需要更少的材料來產生所需的扭矩。
哪里，
已經理解了上面提供的方程，理解速度與扭矩曲線變得很重要。
以下是圖5中所示圖表的內容：
- 隨著速度的增加，扭矩減?。紤]到輸入功率是恒定的）。
- 當速度是“空載”速度的一半并且扭矩是失速扭矩的一半時，可以提供最大功率。
應用
單速 - 對于單速應用，感應電機更合適，但如果必須保持速度隨負載的變化，則由于BLDC電機的平坦速度 - 轉矩曲線，BLDC電機非常適合這樣的應用。
可調速 - BLDC電機更適合此類應用，因為變速感應電機還需要額外的控制器，從而增加了系統(tǒng)成本。由于定期維護，有刷直流電機也將是一種更昂貴的解決方案。
位置控制 - 不需要精確控制，如電磁爐和低維護; BLDC電機也是這里的贏家。然而，對于這樣的應用，BLDC電機使用光學編碼器，并且需要復雜的控制器來監(jiān)控扭矩，速度和位置。
低噪聲應用 - 已知有刷直流電機會產生更多的EMI噪聲，因此BLDC更適合，但BLDC電機的控制要求也會產生EMI和可聽噪聲。然而，這可以使用磁場定向控制（FOC）正弦BLDC電機控制來解決。
如果磁場方向反轉，產生的電壓也會反轉。對于BLDC電機中使用的霍爾效應傳感器，無論何時轉子磁極（N或S）通過霍爾傳感器附近，它們都會產生高或低電平信號，可用于確定軸的位置。
在換向系統(tǒng)中 - 基于使用反饋傳感器識別的電機位置的換向系統(tǒng) - 三個電繞組中的兩個一次通電，如圖4所示。
在圖4（A）中，標記為“001”的綠色繞組被激勵為NORTH極，標記為“010”的藍色繞組被激勵為南極。由于這種激勵，轉子的南極與綠色繞組對齊，而北極與標有“100”的RED繞組對齊。為了移動轉子，“RED”和“BLUE”繞組沿圖4（B）所示的方向通電。這使得RED繞組成為NORTH極，藍色繞組成為南極。由于排斥（紅色繞組 - 北 - 北對準）和吸引力（藍色繞組 - 北 - 南對準）的發(fā)展，定子中的磁場的這種移動產生扭矩，其使轉子沿順時針方向移動。
當轉子開始移動時，該扭矩達到最大值，但隨著兩個磁場彼此對齊，它會減小。因此，為了保持扭矩或建立旋轉，定子產生的磁場應保持切換。為了趕上定子產生的磁場，轉子將繼續(xù)旋轉。由于定子和轉子的磁場都以相同的頻率旋轉，因此它們屬于同步電動機的范疇。
定子的這種切換以建立旋轉被稱為換向。對于三相繞組，換向有6個步驟; 即，6種獨特的組合，其中電動機繞組將被激勵。
用于實現BLDC電機的驅動電路和波形將在本文的第二部分中討論。
扭矩和效率
對于電動機的研究，扭矩是一個非常重要的術語。根據定義，扭矩是力使物體繞其軸線旋轉的趨勢。
因此，為了增加扭矩，必須增加任何一個力 - 這需要更強的磁鐵或更大的電流 - 或者必須增加距離 - 這將需要更大的磁鐵。效率對于電機設計至關重要，因為它決定了功耗。更高效的電動機還需要更少的材料來產生所需的扭矩。
哪里，
已經理解了上面提供的方程，理解速度與扭矩曲線變得很重要。
以下是圖5中所示圖表的內容：
- 隨著速度的增加，扭矩減?。紤]到輸入功率是恒定的）。
- 當速度是“空載”速度的一半并且扭矩是失速扭矩的一半時，可以提供最大功率。
應用
單速 - 對于單速應用，感應電機更合適，但如果必須保持速度隨負載的變化，則由于BLDC電機的平坦速度 - 轉矩曲線，BLDC電機非常適合這樣的應用。
可調速 - BLDC電機更適合此類應用，因為變速感應電機還需要額外的控制器，從而增加了系統(tǒng)成本。由于定期維護，有刷直流電機也將是一種更昂貴的解決方案。
位置控制 - 不需要精確控制，如電磁爐和低維護; BLDC電機也是這里的贏家。然而，對于這樣的應用，BLDC電機使用光學編碼器，并且需要復雜的控制器來監(jiān)控扭矩，速度和位置。
低噪聲應用 - 已知有刷直流電機會產生更多的EMI噪聲，因此BLDC更適合，但BLDC電機的控制要求也會產生EMI和可聽噪聲。然而，這可以使用磁場定向控制（FOC）正弦BLDC電機控制來解決。
