电机：无刷直流电机的原理

一、什么是无刷直流电机

无刷直流电机，英文名称 Brushless DC Motor，简称BLDC；

无刷直流电机的定子是线圈组，而转子是磁铁组，所以不需要用刷子把电流引到定子上，这就是无刷的来历。

电机运动的原理都是依靠磁场，要么利用磁场的异性相吸，要么利用磁场的同性互斥。

无刷直流电机和有刷直流电机的主要区别在于，无刷电机电流的大小和方向是通过控制器来改变的。通常，定子有三组绕线，和控制电路相连，控制电路通过霍尔传感器得知转轴的位置，以此来判断接下来哪几相需要通电。控制系统不停地改变通电相，并改变电流大小，来实现不同扭矩的控制。控制器的原理在本文的后面详细展开。

正因为无刷电机是通过电子换相，所以可靠性更高，运行更安静，效率也更高。

通常无刷电机可以做得很小，并且拥有高扭矩重量比，当然，因为需要使用传感器和控制器，成本也随之升高。

无刷直流电机工作原理动图

通过无刷直流电机工作原理动图可以看出，一直在转的那个玩意就是转子，也是一块磁铁；不动的部分就是定子，定子上绕有线圈，控制器可以控制线圈中电流的大小和方向，从而控制电机的转矩和转向。

二、无刷直流电机的结构图

 

 

三、无刷直流电机结构分析

上面两幅图就是无刷直流电机简化的结构示意图，端面上有三个霍尔传感器（Hall Sensor），转子转动，形成变化的磁场，这个变化的磁场指的是方向发生了变化，而磁场的大小并没有变化。

霍尔传感器（可以先去熟悉下霍尔传感器的原理回更好）感应这个磁场，每个传感器可以输出0或者1，所以3个传感器可以输出110，101等3位数的不同组合，这些组合代表转子的不同位置。注意3号霍尔传感器在1号和2号之间。

转子是用永磁铁做成，转子转动，3个霍尔传感器被触发或者断开，感应转子的位置，然后把位置信息告诉控制器，控制器就是根据转子的位置信息来决定下一步哪些线圈通电，哪些不通电，简言之就是实现电子换相（Electrical Commutation）。

所以，这里的霍尔传感器起到沟通的作用，而这一点在有刷直流电机中，是用物理碳刷和机械换相器相互配合才得以实现。

四、霍尔传感器在直流无刷电机中的作用

有霍尔传感器，才实现了无刷，来看看三个霍尔传感器是如何感应转子的位置，然后告诉电机换相并实现连续旋转的。

如上图所示，一个磁极可以同时覆盖两个霍尔传感器，在图中所示的时刻，1号霍尔对准S极，而2号和3号霍尔对准N极，如果S极触发霍尔，N极熄灭霍尔，那么上图霍尔状态可以表示100位置。

我们再来看看更细节的情况，如下图，使电机顺时针转动：霍尔状态和线圈通电次序的关系，转子上S极附近有个小黑点，用来表示转子的转动方向。

驱动器一次给两组线圈通电，另一组线圈不通电，这个在文章前面的动图可以看出来。

按照惯例，电流流入的线圈在定子上产生北极磁场N，电流流出的线圈则在定子上产生南极磁场S。

现在，想要实现顺时针旋转，如何使用霍尔状态，来切换线圈通电次序和通电方向？

举例说明，比如霍尔感应是100状态，也就是上面的第一张图时，那么这个时候告诉驱动器接通AB相，且电流从B相流入，A相流出。这样B线圈组形成N极，A线圈组形成S极。线圈N极和与其正对的转子N极相互排斥，并且吸引和它较近的转子S极，而线圈S极，则吸引转子N极，实现顺时针转动。同理，可以推导其他霍尔状态时，线圈应该如何通电。最后就形成如上图所示的6个霍尔状态，以及在此状态下线圈应该从哪个线圈流入，从哪个线圈流出的顺序图。

如果把霍尔时序和绕组通电顺序及方向，画在一张图上，就是下面这幅图，这个理解起来要轻松一点。

  理解了这两幅图，也就理解了无刷直流电机的工作原理。