无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。早在十九世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用；但是异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。上世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了，这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。

图 1　无刷直流电机

其电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似；电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等。

直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点——因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持 90°，这就要借助碳刷及整流子；碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速，功率组件切换频率加快许多，提升了驱动电机的性能；微处理机速度也越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小，像模拟/数字转换器（analog-to-digital converter，ADC）、脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。

图 2　无刷直流电机结构

一、无刷直流电机的特点

（1）可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；

（2）具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；

（3）可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；

（4）体积小、重量轻、出力大；

（5）转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；

（6）无级调速，调速范围广，过载能力强；

（7）软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；

（8）效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速损耗，综合节电率可达 20%～60%；

（9）可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；

（10）耐颠簸振动，噪声低、振动小，运转平滑，寿命长；

（11）不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；

（12）根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。

图 3　不同磁场波形的无刷直流电机

二、无刷直流电机的选用

为实际应用选择合适的电机是至关重要的，根据电机的负载特性需要确定合适的电机参数，其主要参数有以下几点：① 应用时的最大扭矩要求；② 平方根（RMS）扭矩需求；③ 转速要求。

1. 最大扭矩

最大的扭矩可以通过将负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加得到，另外还有一些额外的因素影响最大需求扭矩（如气隙空气的阻力等），这就需要至少 20% 的扭矩余量。综上所述，有以下等式：

T_P = (T_L + T_J + T_F) × 1.2

T_J 为电机启动或加速过程需要克服的转动力矩，其主要包括电机转子的转动力矩和负载的转动力矩，其表示为 T_J = (J_L + J_M)·α；上式中 α 为角加速度，J_L + J_M 为负载和电机转子的转动惯量。电机的机械轴决定电机的负载力矩和摩擦力。

2. 平方根扭矩

可以近似地认为平方根扭矩为实际应用中需要的持续输出扭矩，它由很多因素决定：最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速以及运行时间。下面的等式表示了平方根扭矩的计算，其中 T_A 为加速时间、T_D 为减速时间和 T_R 为运行时间：

T_RMS = √{[T_P²T_A + (T_L+T_F)²T_R + (T_J−T_L−T_F)²T_D]/(T_A+T_R+T_D)}

3. 转速

这是由应用需求决定的转速：比如吹风机的最高转速和平均转速相差不大，而在一些点对点定位系统如传送带和机械臂系统中就需要大转速范围的电机，可以根据电机的转速梯形曲线确定电机的转速需求。通常，由于其他因素，在计算电机转速需求的时候需要留有 10% 余量。

图 4　电机转速梯形曲线

三、无刷直流电机的应用

BLDC 的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等。总的来说，BLDC 可以分为以下三种主要用途：① 持续负载应用；② 可变负载应用；③ 定位应用。

1. 持续负载应用

这种应用主要用于那些需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用；通常这类应用成本比较低且多是开环控制。

2. 可变负载应用

这类主要指的是电机转速需要在某个范围内变化的应用，在这类应用中主要对电机的高转速特性和动态响应特性有更高的要求。家用器具中的洗衣机、甩干机和压缩机就是很好的例子；在汽车工业领域，油泵控制、电控制器、发动机控制和电子工具等也是很好的例子；在航空领域也有很多的应用，比如离心机、泵、机械臂、陀螺仪等。这个领域中多使用电机反馈器件组成半开环和闭环进行控制，这就需要复杂的控制算法，增加了控制器的复杂程度也增加了系统成本。

3. 定位应用

大多数的工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别。在这些应用中往往会完成能量的输送，如齿轮或者传送带，因此系统对电机转速的动态响应和转矩有特别的要求；同时这些应用也可能需要随时改变电机的转向，电机可能工作在匀速、加速、减速阶段，而且有可能在这些阶段中负载也在变化，所以这对控制器提出了更高的要求。通常这种控制使用闭环控制，甚至会有扭矩环、速度环和位置环三个控制环；测速时可能会用上光电编码器和一些同步设备，有时候这些传感器会被用于测量相对位置，也有时候用于测量绝对位置。过程控制、机械控制和运输控制很多都属于这类应用。