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

 

活躍于多個(gè)領(lǐng)域的電機

 

我們按電源種類(lèi)和轉動(dòng)原理對電機進(jìn)行了分類(lèi)（圖 2）。讓我們來(lái)簡(jiǎn)單看看各類(lèi)電機的特點(diǎn)和用途吧。

 

 

圖 2：電機的主要類(lèi)型

 

構造簡(jiǎn)單而又容易操控的 DC 電機（有刷電機）通常被用在家電產(chǎn)品的“光盤(pán)托盤(pán)的開(kāi)閉”等用途上?；蛴迷谄?chē)的“電動(dòng)后視鏡的開(kāi)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)電機會(huì )隨著(zhù)向其發(fā)出的電脈沖數旋轉。它的運動(dòng)量取決于向其發(fā)出的電脈沖數，因此適用于位置調整。在家庭中通常被用于“傳真機和打印機的送紙”等。由于傳真機的送紙步驟取決于規格（刻紋、細致度），因此隨著(zhù)電脈沖數旋轉的步進(jìn)電機非常便于使用。很容易解決信號一旦停止機器就會(huì )暫時(shí)停止的問(wèn)題。

 

旋轉數隨電源頻率變化的同步電機被用于“微波爐的旋轉桌”等用途上。電機組里有齒輪減速器，可以得到適合加熱食品的旋轉數。感應電機也受電源頻率的影響，但頻率和旋轉數不一致。以前這類(lèi) AC 電機被用在風(fēng)扇或洗衣機上。

 

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

 

BLDC 電機是如何旋轉的？

 

BLDC 電機中的“BL”意為“無(wú)刷”，就是 DC 電機（有刷電機）中的“電刷”沒(méi)有了。電刷在 DC 電機（有刷電機）里扮演的角色是通過(guò)換向器向轉子里的線(xiàn)圈通電。那么沒(méi)有電刷的 BLDC 電機是如何向轉子里的線(xiàn)圈通電的呢？原來(lái) BLDC 電動(dòng)機電機采用永磁體來(lái)做轉子，轉子里是沒(méi)有線(xiàn)圈的。由于轉子里沒(méi)有線(xiàn)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(xiàn)圈（圖 3）。

 

DC 電機（有刷電機）中被固定的永磁體所制造出的磁場(chǎng)是不會(huì )動(dòng)的，通過(guò)控制線(xiàn)圈（轉子）在其內部產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)旋轉。要通過(guò)改變電壓來(lái)改變旋轉數。BLDC 電機的轉子是永磁體，通過(guò)改變周?chē)木€(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向使轉子旋轉。通過(guò)控制通向線(xiàn)圈的電流方向和大小來(lái)控制轉子的旋轉。

 

 

圖 3：BLDC 電機的運轉示意圖

 

BLDC 電機將永磁體作為轉子。由于無(wú)需向轉子通電，因此不需要電刷和換向器。從外部對通向線(xiàn)圈的電進(jìn)行控制。

 

BLDC 電機的優(yōu)點(diǎn)

 

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

 

BLDC 電機的第一個(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(有刷電機)的話(huà)，旋轉過(guò)程中最大扭矩只能保持一個(gè)瞬間，無(wú)法始終保持最大值。若 DC 電機（有刷電機）想要得到和 BLDC 電機一樣大的扭矩，只能加大它的磁鐵。這就是為什么小型 BLDC 電機也能發(fā)出強大力量的原因。

 

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 電機可以絲毫不差的得到你所想要的扭矩、旋轉數等。BLDC 電機可以精確地反饋目標旋轉數、扭矩等。通過(guò)精確的控制可以抑制電機的發(fā)熱和電力的消耗。若是電池驅動(dòng)，則能通過(guò)周密的控制，延長(cháng)驅動(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(wú)電刷所帶來(lái)的優(yōu)勢。而 DC 電機（有刷電機）由于電刷和換向器之間的接觸，長(cháng)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 )出現巨大的火花和噪音。若不希望使用過(guò)程中產(chǎn)生噪音，會(huì )考慮采用 BLDC 電機。

 

BLDC 電機適用于這些方面

 

高效率、多樣操控、壽命長(cháng)的 BLDC 電機一般會(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(cháng)的特點(diǎn)，被連續使用的產(chǎn)品中。例如：家電。人們很早就開(kāi)始使用洗衣機和空調了。最近電風(fēng)扇中也開(kāi)始采用 BLDC 電機，并成功促使消耗電力大幅度下降。正是因為效率高才讓消耗電力下降的。

 

吸塵機中也采用了 BLDC 電機。在某個(gè)事例中，通過(guò)變更控制系統，實(shí)現了旋轉數的大幅度上升。這個(gè)事例體現了 BLDC 電機的良好控制性。

 

作為重要存儲介質(zhì)的硬盤(pán)，其旋轉部分也采用了 BLDC 電機。由于它是需要長(cháng)時(shí)間運轉的電機，因此耐用性很重要。當然，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)。

 

BLDC 電機的用途還有很多

 

BLDC 電機有望被應用在更廣泛的領(lǐng)域中。BLDC 電機將會(huì )在小型機器人，尤其是在制造以外的領(lǐng)域提供服務(wù)的“服務(wù)機器人”中得到廣泛應用。“定位對于機器人很重要，不是應該使用隨電脈沖數運行的步進(jìn)電機嗎？”或許會(huì )有人這么想。但是在力量控制方面，BLDC 電機更合適。另外，若采用步進(jìn)電機，像機器人手腕這樣的構造要固定在某個(gè)位置需要提供相當大的電流。若是 BLDC 電機，則能配合外力只提供所需的電力，從而抑制電力的消耗。

 

還可用于運輸方面。一直以來(lái)，老年人電動(dòng)車(chē)或高爾夫球車(chē)中大多采用簡(jiǎn)單的 DC 電機，但最近都開(kāi)始采用具有良好控制性的高效率 BLDC 電機了?？梢酝ㄟ^(guò)細微的控制，延長(cháng)電池的持續時(shí)間。BLDC 電機還適用于無(wú)人機中。尤其是多軸機架的無(wú)人機，由于它是通過(guò)改變螺旋槳的旋轉數來(lái)控制飛行姿態(tài)的，因此能夠精密控制旋轉的 BLDC 電機很有優(yōu)勢。

 

怎么樣？BLDC 電機是效率高、控制性良好、壽命長(cháng)的優(yōu)質(zhì)電機。但是，要想將 BLDC 電機的力量發(fā)揮到極致，則需要正確的控制。該如何操作呢？

 

僅靠連接無(wú)法轉動(dòng)

 

內轉子型 BLDC 電機是典型的 BLDC 電機的一種，其外觀(guān)與內部構造如下所示。帶刷 DC 電機（以下稱(chēng)為 DC 電機）的轉子上有線(xiàn)圈，外側放有永磁體。BLDC 電機的轉子上有永磁體，外側是線(xiàn)圈。BLCD 電機的轉子沒(méi)有線(xiàn)圈，是永磁體，因此沒(méi)有必要在轉子上通電。實(shí)現了不帶通電用的電刷的“無(wú)刷型”。

 

 

另一方面，與 DC 電機相比，控制也變得更難了。并不是只要將電機上的電纜接上電源就好了。本來(lái)就連電纜數目都不一樣。和“將正極（+）和負極（-）連上電源”的方式不同。

 

 

圖 4：BLDC 電機的外觀(guān)及內部構造

 

轉子是永磁體，因此無(wú)法通電。無(wú)需電刷及換向器，可謀求延長(cháng)使用壽命。

 

改變磁通量的方向

 

為了轉動(dòng) BLDC 電機，必須控制線(xiàn)圈的電流方向及時(shí)機。圖 2-A 是將 BLDC 電機的定子（線(xiàn)圈）和轉子（永磁體）模式化的結果。使用該圖片，思考一下轉子旋轉的情況吧。思考使用 3 個(gè)線(xiàn)圈的情況。雖然實(shí)際上也有使用 6 個(gè)或以上的線(xiàn)圈的情況，但在考慮原理的基礎上，每 120 度放一個(gè)線(xiàn)圈，使用 3 個(gè)線(xiàn)圈。電機將電氣（電壓、電流）轉換為機械性旋轉。圖 5-A 的 BLDC 電機又是如何轉動(dòng)呢？先來(lái)看一看電機中發(fā)生了什么吧。

 

 

圖 5-A：BLDC 電機轉動(dòng)原理

 

BLDC 電機中每隔 120 度放置一個(gè)線(xiàn)圈，總共放置三個(gè)線(xiàn)圈，控制通電相或線(xiàn)圈的電流

 

如圖 5-A 所示，BLDC 電機使用 3 個(gè)線(xiàn)圈。這三個(gè)線(xiàn)圈用以在通電后生成磁通量，將其命名為 U、V、W。將該線(xiàn)圈通電試試看吧。線(xiàn)圈 U（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“線(xiàn)圈”）上的電流路徑記為 U 相，V 的記錄為 V 相，W 的記錄為 W 相。接下來(lái)看一看 U 相吧。向 U 相通電后，將產(chǎn)生如圖 2-B 所示的箭頭方向的磁通量。

 

但實(shí)際上，U、V、W 的電纜都是互相連接著(zhù)的，因此無(wú)法僅向 U 相通電。在這里，從 U 相向 W 相通電，會(huì )如圖 2-C 所示在 U、W 產(chǎn)生磁通量。合成 U 和 W 的兩個(gè)磁通量，變?yōu)閳D 2-D 所示的較大的磁通量。永磁體將進(jìn)行旋轉，以使該合成磁通量與中央的永磁體（轉子）的 N 極方向相同。

 

 

圖 5-B：BLDC 電機的轉動(dòng)原理

 

從 U 相向 W 向通電。首先，只關(guān)注線(xiàn)圈 U 部分，則發(fā)現會(huì )產(chǎn)生如箭頭般的磁通量

 

 

圖 5-C：BLDC 電機的轉動(dòng)原理

 

從 U 相向 W 相通電，則會(huì )產(chǎn)生方向不同的 2 個(gè)磁通量。

 

 

圖 5-D：BLDC 電機的轉動(dòng)原理

 

從 U 相向 W 相通電，可以認為產(chǎn)生了兩個(gè)磁通量合成的磁通量。

 

若改變合成磁通量的方向，則永磁體也會(huì )隨之改變。配合永磁體的位置，切換 U 相、V 相、W 相中通電的相，以變更合成磁通量的方向。連續執行此操作，則合成磁通量將發(fā)生旋轉，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉子旋轉。

 

圖 3 所示的是通電相與合成磁通量的關(guān)系。在該例中，按順序從 1-6 變更通電模式，則合成磁通量將順時(shí)針旋轉。通過(guò)變更合成磁通量的方向，控制速度，可控制轉子的旋轉速度。將切換這 6 種通電模式，控制電機的控制方法稱(chēng)為“120 度通電控制”。

 

 

圖 6：轉子的永久磁石會(huì )像被合成磁通量牽引一樣旋轉，電機的軸也會(huì )因此旋轉

 

使用正弦波控制，進(jìn)行流暢的轉動(dòng)

 

接下來(lái)，盡管在 120 度通電控制下合成磁通量的方向會(huì )發(fā)生旋轉，但其方向不過(guò)只有 6 種。比如將圖 3 的“通電模式 1”改為“通電模式 2”，則合成磁通量的方向將變化 60 度。然后轉子將像被吸引一樣發(fā)生旋轉。接下來(lái)，從“通電模式 2”改為“通電模式 3”，則合成磁通量的方向將再次變化 60 度。轉子將再次被該變化所吸引。這一現象將反復出現。這一動(dòng)作將變得生硬。有時(shí)這動(dòng)作還會(huì )發(fā)出噪音。

 

能消除 120 度通電控制的缺點(diǎn)，實(shí)現流暢的轉動(dòng)的正是“正弦波控制”。在 120 度通電控制中，合成磁通量被固定在了 6 個(gè)方向。進(jìn)行控制，使其進(jìn)行連續的變化。在圖 2-C 的例子中，U 和 W 生成的磁通量大小相同。但是，若能較好地控制 U 相、V 相、W 相，則可讓線(xiàn)圈各自生成大小各異的磁通量，精密地控制合成磁通量的方向。調整 U 相、V 相、W 相各相的電流大小，與此同時(shí)生成了合成磁通量。通過(guò)控制這一磁通量連續生成，可使電機流暢地轉動(dòng)。

 

圖 7：正弦波控制

 

正弦波控制可控制 3 相上的電流，生成合成磁通量，實(shí)現流暢的轉動(dòng)?？缮?120 度通電控制無(wú)法生成的方向上生成合成磁通量。

 

使用逆變器控制電機

 

那么 U、V、W 各相上的電流又如何呢？為便于理解，回想 120 度通電控制的情況看看吧。請再次查看圖 3。在通電模式 1 時(shí)，電流從 U 流至 W;在通電模式 2 時(shí)，電流從 U 流至 V?？梢钥闯?，每當有電流流動(dòng)的線(xiàn)圈的組合發(fā)生改變時(shí)，合成磁通量箭頭的方向也會(huì )發(fā)生變化。

 

接下來(lái)，請看通電模式 4。在該模式下，電流從 W 流至 U，與通電模式 1 的方向相反。在 DC 電機中，像這樣的電流方向的轉換是由換向器和刷子的組合來(lái)進(jìn)行了。但是，BLDC 電機不使用這樣的接觸型的方法。使用逆變器電路，更改電流的方向。在控制 BLDC 電機時(shí)，一般使用的是逆變器電路。

 

另外逆變器電路可改變各相中的外加電壓，調整電流值。電壓的調整中，常用的是 PWM（Pulse Width Modulation=脈沖寬度調制）。PWM 是一種通過(guò)調整脈沖 ON/OFF 的時(shí)間長(cháng)度改變電壓的方法，重要的是 ON 時(shí)間和 OFF 時(shí)間的比率（占空比）變化。若 ON 的比率較高，可以得到和提高電壓相同的效果。若 ON 的比率下降，則可以得到和電壓降低相同的效果。

 

為了實(shí)現 PWM，現在還有配備了專(zhuān)用硬件的微電腦。進(jìn)行正弦波控制時(shí)需控制 3 相的電壓，因此比起只有 2 相通電的 120 度通電控制來(lái)說(shuō)，軟件要稍稍復雜一些。逆變器是對驅動(dòng) BLDC 電機必要的電路。交流電機中也使用了逆變器，但可以認為家電產(chǎn)品中所說(shuō)的“逆變器式”幾乎使用的是 BLDC 電機。

 

圖 8：PWM 輸出與輸出電壓的關(guān)系

 

變更某時(shí)間內的 ON 時(shí)間，以變更電壓的有效值。ON 時(shí)間越長(cháng)，有效值越接近施加 100%電壓時(shí)（ON 時(shí)）的電壓。

 

使用位置傳感器的 BLDC 電機

 

以上是 BLDC 電機的控制的概況。BLDC 電機通過(guò)改變線(xiàn)圈生成的合成磁通量的方向，使轉子的永磁體隨之變化。

 

實(shí)際上，在以上的說(shuō)明中，還有一點(diǎn)沒(méi)有提到。即 BLDC 電機中的傳感器的存在。BLDC 電機的控制是配合著(zhù)轉子（永磁體）的位置（角度）進(jìn)行的。因此，獲取轉子位置的傳感器是必需的。若沒(méi)有傳感器得知永磁體的方向時(shí)，轉子可能會(huì )轉至意料之外的方向。有傳感器提供信息的話(huà)，就不會(huì )出現這樣的情況了。

 

表 1 中顯示的是 BLDC 電機主要的位置檢測用傳感器的種類(lèi)。根據控制方式的不同，需要的傳感器也是不同的。在 120 度通電控制中，為判斷要對哪個(gè)相通電，配備了可每 60 度輸入一次信號的霍爾效應傳感器。另一方面，對于精密控制合成磁通量的“矢量控制”（在下一項中說(shuō)明）來(lái)說(shuō)，轉角傳感器或光電編碼器等高精度傳感器較為有效。

 

通過(guò)使用這些傳感器可以檢測出位置，但也會(huì )帶來(lái)一些缺點(diǎn)。傳感器防塵能力較弱，而且維護也是不可或缺的?？墒褂玫臏囟确秶矔?huì )縮小。使用傳感器或為此增加配線(xiàn)都會(huì )造成成本的上升，而且高精度傳感器本身就價(jià)格高昂。于是，“無(wú)傳感器”這一方式登場(chǎng)了。它不使用位置檢測用傳感器，以此控制成本，且不需要傳感器相關(guān)的維護。但此次為了說(shuō)明原理，因此假定已從位置傳感器獲得了信息來(lái)吧。

 

通過(guò)矢量控制時(shí)刻保持高效率

正弦波控制為 3 相通電，流暢地改變合成磁通量的方向，因此轉子將流暢地旋轉。120 度通電控制切換了 U 相、V 相、W 相中的 2 相，以此來(lái)使電機轉動(dòng)，而正弦波控制則需要精確地控制 3 相的電流。而且控制的值是時(shí)刻變化的交流值，因此，控制變得更為困難。

 

在這里登場(chǎng)的便是矢量控制了。矢量控制可通過(guò)坐標變換，把 3 相的交流值作為 2 相的直流值進(jìn)行計算，因此可簡(jiǎn)化控制。但是，矢量控制計算需要高分辨率下的轉子的位置信息。位置檢測有兩種方法，即使用光電編碼器或轉角傳感器等位置傳感器的方法，以及根據各相的電流值進(jìn)行推算的無(wú)傳感器方法。通過(guò)該坐標變換可直接控制扭矩（旋轉力）的相關(guān)電流值，從而實(shí)現沒(méi)有多余電流的高效控制。

 

但是，矢量控制中需要進(jìn)行使用三角函數的坐標變換，或復雜的計算處理。因此，大多情況下都會(huì )使用計算能力較強的微電腦作為控制用微電腦，比如配備了 FPU（浮點(diǎn)運算器）的微電腦等。