无刷直流电机的类型和工作原理

一、什么是无刷直流 (BLDC) 电机？

无刷直流（BLDC）电机，也被称为电子换向电机（ECM或EC电机）或同步直流电机，是一种使用直流电（DC）电源的同步电机。它实质上采用直流电源输入，并通过逆变器将直流电转换为三相交流电，驱动带有位置反馈的永磁同步电机。

无刷直流电机广泛应用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表中。其高输出功率、低电噪声、高可靠性、高动态响应、电磁干扰少、更好的转速-转矩等优点，使得无刷直流电机成为现代工业领域中的重要驱动设备。

无刷直流（BLDC）电机以其高效率、长寿命、低噪声、高可靠性和可控性好等特点，在现代工业领域中得到了广泛应用。

二、无刷直流电机的类型

BLDC 电机有两种类型：外转子和 内转子设计 。虽然它们的工作原理相同，但设计的不同主要在于组件的放置。

内转子设计

在内转子设计中，转子位于电机的中心，定子绕组围绕转子。由于转子位于铁芯内，转子磁铁内部不隔热，热量容易散发。由于这个原因，内转子设计的电机产生很大的扭矩并得到有效使用。

外转子设计

在外转子设计中，转子围绕位于电机核心的绕组。转子中的磁铁将电机的热量捕获在内部，并且不允许从电机散发。这种设计的电机在较低的额定电流下运行，并且具有较低的齿槽转矩。

三、无刷直流电机的工作原理

无刷直流电机由电子驱动器驱动，当转子转动时，该电子驱动器在定子绕组之间切换电源电压。转子位置由传感器（光学或磁性）监控，该传感器向电子控制器提供信息，并根据该位置确定要通电的定子绕组。该电子驱动器由通过微处理器操作的晶体管（每相 2 个）组成。

永磁体产生的磁场与定子绕组中电流感应的磁场相互作用，产生机械扭矩。电子开关电路或驱动器切换定子的供电电流，以便在相互作用的场之间保持 0 至 90 度的恒定角度。霍尔传感器大多安装在定子或转子上。当转子经过霍尔传感器时，根据北极或南极，它会产生高或低信号。根据这些信号的组合，定义要通电的绕组。为了保持电机运行，当转子移动以赶上定子磁场时，绕组产生的磁场应该移动位置。

在 4 极、2 相无刷直流电机中，使用嵌入在定子上的单个霍尔传感器。当转子旋转时，霍尔传感器感测位置并根据磁体的磁极（北极或南极）产生高或低信号。霍尔传感器通过电阻器连接到晶体管。当传感器输出端出现高压信号时，连接到线圈 A 的晶体管开始导通，为电流流动提供路径，从而为线圈 A 通电。电容器开始充电至满电源电压。当霍尔传感器检测到转子极性发生变化时，它会在其输出端产生一个低电压信号，并且由于晶体管 1 没有获得任何电源，因此处于截止状态。电容器周围产生的电压是 Vcc，它是 2 的电源电压nd晶体管，线圈 B 现在通电，因为电流通过它。

BLDC 电机具有旋转的固定永磁体和固定电枢，消除了将电流连接到移动电枢的问题。转子上的极数可能比定子或磁阻电动机的极数还要多。后者可能没有永磁体，只有在转子上感应的磁极，然后通过定时定子绕组拉入装置中。电子控制器取代了有刷直流电机的电刷/换向器组件，不断切换绕组的相位以保持电机转动。该控制器通过使用固态电路而不是电刷/换向器系统来执行比较定时功率分配。

四、三相无刷直流 (BLDC) 电机驱动电路图

该电路采用IRS2330 IC作为主驱动器。 IC 引脚连接到外部组件，包括使用 6 个 IGBT 的标准 H 桥配置。这种 H 桥配置通过控制流经电磁线圈的电流来驱动 BLDC 电机。

霍尔效应传感器检测转子磁体的位置，并向控制电路提供必要的数据，以按顺序激活定子线圈，产生旋转扭矩并产生预期的旋转运动。然而，在将霍尔传感器信号应用到驱动器 IC 输入之前，需要利用多个非门对信号进行缓冲。然后，非门的输出会与 IC IRS2330 的输入正确合并。

该电路还包括一个电流检测级，用于 BLDC 电机的过流保护和控制。此级中的电阻分压器的尺寸经过精心设计，可实现精确的电流感测和控制。

总之，IRS2330 IC 连接到 IGBT 的 H 桥配置和霍尔效应传感器来控制定子线圈；霍尔传感器信号由非门缓冲，然后发送至 IC。电路中还存在电流感测级，用于电机的过流保护。