电机世界之直流无刷电机（科普文）
之前我们介绍了电机家族里结构最简单的直流有刷电机（Brushed DC Motor），只要给电刷两端通上电，就可以使其工作。
但是有刷电机有一个比较令人讨厌的缺点：那就是“吵”（noisy）。因为电刷和换向环需要时刻不停地摩擦，才能给电枢供电。所以，如果你想要一个“静音风扇”的话，肯定不能选使用了有刷电机的产品。
并且电刷使用时间久了，比较容易损坏。电流较大的时候，你甚至可以看到电刷在换向的时候噼里啪啦地冒火花，也是挺吓人的。而这些缺点，在下面将要介绍的直流无刷电机（Brushless DC Motor）里，一样都没有！
我们将从以下四个方面来给大家介绍直流无刷电机（以下简称BLDC）：
1，BLDC的优缺点；
2，BLDC的工作原理；
3，BLDC的控制方式；
4，BLDC的实际使用。
/ BLDC的优缺点 /
直流无刷电机，从字面上看，其最大的特点，就是“无刷”，也就是没有电刷的意思。
就因为没有电刷，它非常完美地避开了有刷电机的那几个缺点。所以反过来说，它主要的优点就是：
1，寿命长；
2，能够做到静音；
3，效率高（损耗低）；
4，体积较小；
5，稳定性高。
至于缺点，等我们了解它的工作原理和控制方式以后，自然而然就明白了。
/ BLDC的工作原理 /
BLDC是电机的一种，所以它最基本的构成也离不开定子（stator）和转子（rotor）。还记得有刷电机的基本结构吗？有刷电机的定子是永磁体，而它的转子，则是通电的线圈（绕组）。如下图：
但是对于BLDC来说，情况恰恰相反！
BLDC的定子（stator）是通电的线圈，而转子（rotor）却是永磁体！
从“麦克斯韦-安培定律”可以知道，通电线圈附近的空间会产生磁场。而磁场的分布方向，我们可以用“右手定则”得出。如下图：
其实这就是我们常说的“电磁铁”了！
那么接下来的事情就简单了，磁铁的特性是什么？估计小学生都会大声说出它的答案：
同性相斥，异性相吸！
所以，我们只要给定子上的线圈接入方向适当的电流，即让电磁铁的磁极方向和永磁体的磁极方向正好对应，不就能排斥、或者吸引转子做旋转运动了嘛。
上图就是按顺序单独给线圈通电，使其朝向转子的方向为电磁铁的S极，吸引转子顺时针方向旋转
这个转子像不像一头正在拉磨的驴，一直被前面的胡萝卜（定子）所吸引，最终一刻不停地往前走呢？
* 定子的优化 *
以上的驱动方式，即按顺序单独给每个线圈通电，虽然可行，但是未免太过繁琐，效率低下。因此，实际上的BLDC会将那六个线圈两两组合，分成A，B，C三个绕组，如下图：
这样我们就可以同时驱动两个电磁铁了，效率立马提高了一倍，有没有！
但是这还只是用了磁铁“吸引”的特性，别忘了磁铁还有“排斥”的特性。
如果我们再同时驱动另外一组线圈，让上一组线圈“吸引”转子的时候，另外一组线圈“排斥”转子，那么我们的转子将会获得更高的驱动力！如下图：
到目前为止，相信你已经对BLDC的工作原理有了比较深入的了解。这个模型已经开始接近实际的BLDC产品了。
但是对于上面的模型，我们需要给两个绕组同时提供方向相反的两组电源，才能同时达到“吸引”和“排斥”的效果。这对于实际应用来讲，未免过于复杂，成本也太高。
接下来我们要讲的“BLDC的控制方式”章节，将会解决上面这个问题。
/ BLDC的控制方式 /
原来的A,B,C三个绕组是各自独立的，因此控制起来非常麻烦。那如果我们把A,B,C三个绕组接在一起，拼成一个“星形连接（star arrangement）”，结果会是怎么样？
本来三个绕组，引出六根线；现在引出的线减少到只有三根线，那么这么接怎么实现跟六根线一样的控制效果呢？如下图：
电源正极接在右上角的A绕组输入，而电源的负极接在了左下角的B绕组输出。这个时候A绕组和B绕组同时被驱动，而且其极性正好相反，实现了三个绕组独立驱动时一样的效果！
所以只要按照这个顺序：AB-AC-BC-BA-CA-CB，这六个节拍，依次循环驱动定子的绕组，转子就能一直旋转下去！
可以使用六个电子开关来实现这六个节拍的驱动，如下图：
* 位置检测 *
我们虽然已经知道了控制转子的六个节拍的方法。但是你有没有发现一个新的问题：如果不知道转子的位置，如何知道何时该驱动哪个绕组？所以我们必须要知道转子的当前位置！
而转子的位置检测，一般有两种方式：
1，霍尔传感器检测法；
如下图，在定子里放上H1,H2,H3，三个霍尔传感器，就可以知道当前的定子的确切位置。
霍尔传感器的输出用高低电平来表示：
2，反向电动势检测法；
反向电动势（Back EMF）检测法是基于电磁感应原理：当没有通电的绕组周围的磁场（磁通量）改变时，会在这个绕组上感应出一个电动势，我们只要检测这个电动势的大小和方向，也能知道当前定子的位置。
这两种检测方式各有优缺点：霍尔传感器检测精度更高一点，但是成本也较高；相反，反向电动势检测法经济性更好，但是精度稍低。
* 内转子 or 外转子 *
BLDC有两种结构：转子在内的叫做内转子BLDC；相反，转子在外的叫做外转子BLDC。
相对来说，外转子BLDC应用更多一点。主要原因是外转子BLDC在机械结构上更稳定。
这是因为电机转子在高速运行下，由于离心力的作用，会有向外扩张的趋势。所以内转子BLDC需要非常高的机械精度，保证转子和定子不会打架。但是如果预留的距离太远，又会导致漏磁而影响电机的整体效率。
但是在外转子BLDC上却没有这个问题，因为外转子天然不受扩张影响。
/ BLDC的缺点 /
我们现在再回到前面遗留下的问题：BLDC的缺点是什么？相信聪明的你已经可以猜到：我们花了那么多的篇幅来讲BLDC的控制方式，足以看到其控制的难度，相对于有刷电机来说，是高出了不少的！
所以说BLDC最大的缺点，就是他的控制难度高，驱动电调（Electronic Speed Control，简称ESC）价格较高。
它还有一个缺点，就是BLDC由于感抗的原因，启动时会伴随着抖动，不像有刷电机的启动那么平稳。
综上所述，有刷电机和BLDC各有优缺点，都不是完美的。如何选择要视具体的应用场景而定。那接下来我们就来看看，BLDC的实际应用场景吧。
/ BLDC的实际应用 /
1，静音散热风扇
风冷是很多设备散热的首选。例如市面上很多主打“静音”的机箱，如果是使用风冷，里面的散热风扇基本都是使用BLDC。
用来给笔记本电脑散热的底座也常用BLDC：
除此之外，一些大型的通风散热系统里面，使用的也是BLDC风扇。
2，电动四轴/多轴无人机
大部分较大功率的电动四轴/多轴无人机使用的都是BLDC，适配上合适的电调（ESC），再使用PWM来控制BLDC调速是非常方便的。
3，电动工具
国内生产的电扳手基本上都使用了BLDC，还有大部分的手电钻也一样。主要是因为BLDC的高效率，而使得电池供电的电动工具续航时间更长。还有一点是无刷电机的扭矩输出非常稳定，如下图：
这是其他类型的电机很难做到的一个特点。
除了以上三类以外，还有冰箱压缩机，冰柜冷却风机，以及近几年很火的空气净化器、吸尘器/扫地机器人等，使用的都是BLDC驱动。
/ 结语 /
以上就是今天要介绍的无刷电机BLDC的全部内容了。当然，这里只是一个非常基本的介绍，如果想要完美地控制一个BLDC工作起来，还需要小伙伴们继续不断地深入学习。
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