无刷直流电机：设计、结构与先进应用

固态功率半导体的出现推动了从传统有刷直流电机向无刷直流(BLDC)设计的转型。虽BLDC属直流器件，其运行原理与交流同步电机极近，故任何交流电机技术讨论都涵盖它。

BLDC电机与交流同步电机核心相似；关键区别在于反电动势(EMF)波形。同步电机产生正弦波反EMF，BLDC呈矩形或梯形反EMF。

两类电机均由定子产生旋转磁场与磁性转子相互作用产生转矩。

同步电机通常为大型多千瓦机组，常配电磁转子，运行转速为工频的整数分频。BLDC电机一般紧凑，功率几瓦至几十瓦，依赖永磁转子。

BLDC电机转速固有可变，除非经锁相环(PLL)锁定参考频率。典型结构为圆柱式或盘式。

圆柱结构：(a)外转子，(b)内转子

圆柱结构最普遍，有两种变体（见右图）。最常见为内转子(右)，用于硬盘驱动器。较少见外转子包绕定子。

外转子结构典型用于BLDC风扇电机，常无轴、紧凑坚固。此配置中磁通相对旋转轴呈径向。

盘式电机结构：(a)单定子，(b)双定子

高转矩盘式电机常在转子两侧布置定子线圈，如图(b)。

低转矩设备（如软驱电机）通常用单面定子线圈(a)。此排列磁通轴向平行于旋转轴。

换相可用各种轴位置传感器：光学编码器、磁编码器(旋转变压器、自同步机)或霍尔效应磁传感器。霍尔传感器因小型、低成本成小电机首选。

霍尔效应传感器是半导体器件，电子流受垂直于电流方向的磁场影响。表现为四端子可变电阻网络；两输出电压互补。

施加磁场时，输出产生微小电压偏移。此霍尔输出可驱动比较器为功率器件提供稳定驱动，或经适当偏置驱动复合晶体管级。

现代霍尔传感器常集成放大器和数字逻辑，成为三引线器件，可直接驱动激励相绕组的功率晶体管。为准确位置感应，传感器须靠近永磁转子安装。

霍尔效应传感器换相三相无刷直流电机

基本圆柱三相电机(上图)由每相一个霍尔传感器换相。永磁转子旋转时，霍尔器件感应通过的转子极极性变化。

霍尔信号经放大确保定子线圈获正确电流。实际中这些信号可经组合逻辑处理生成更高效驱动波形。

配备锁相环(PLL)调速，此圆柱电机可驱动硬盘。类似PLL控制也可驱动盘式软驱电机(见下图)。

无刷盘式电机

三相盘式电机含六定子极和八转子极。转子为扁平铁氧体环，带八个轴向交替磁化主极。虽未绘出，转子顶部有低碳钢盖安装于定子中心轴承。

钢盖闭合磁路，定子极安装于顶部钢板，进一步保证磁路连续性。

扁平定子线圈呈梯形以紧贴转子极；六定子线圈构成三相绕组。

三相定子依序激励产生旋转磁场。

永磁转子与该场对齐，类似同步电机。两极转子与磁场同步旋转，八极转子因极数更多将以磁场频率的分频转动。

无刷直流风扇电机关键特性：

无刷风扇电机，两相

• 定子2相分布于4极
• 4个无绕组凸极消除零转矩点
• 转子4个主驱动极
• 转子叠加8极辅助消除零转矩点
• 霍尔传感器物理间距45°
• 风扇外壳置于转子顶部，转子覆盖定子

BLDC风扇电机首要目标是低成本制造，推动从三相向两相转变以适配低端产品。视驱动方案也可称四相电机。

传统有刷直流电机需奇数电枢极数(3,5,7)自启动；2或4等偶数极会产生转矩极小值阻碍静止启动。

引入四个无绕组小凸极可在转矩-位置曲线叠加脉动转矩，缓解转矩极小值，改善启动性。

额外脉动进一步消除极小值；只要不降至零，电机即可启动。极小值抑制越有效，启动越容易。

两相定子要求霍尔传感器电气间距90°。两极转子对应物理90°间距；但四极永磁转子需物理45°间距以实现90°电气间距(见上文霍尔间距)。

主要转矩源于内部两相定子线圈与转子四极段相互作用。因此四极段须置底部，使霍尔传感器检测到正确换相信号。

额外八极段仅为改善启动性能。

无刷直流电机两相推挽驱动

上图展示用两个霍尔传感器激励四绕组的两相推挽(或四相)驱动。单极转子时，传感器电气90°间距对应物理90°间距。

因每霍尔传感器产生两互补输出，单传感器可换相两对向绕组。