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何谓BLDC电机?BLDC电机是如何旋转的?

日期:2019-02-08 13:02

  供给电力(电压、电流)后,能够进行机械般的运动的就是电机。电机有各式各样的种类,而“BLDC电机”具有很高的效率以及良好的操作性,可以广泛用于各种用途上,并期待它所带来的低耗电量。

  当工程师想利用电气、电子的机器在现实世界中做些什么时,他们会思考怎样才能将电信号变为“力”?将电信号转换为力的就是传动器,即电机。可以将电机视作“将电气转换为机械的力的元件”。

  最基本的电机是“DC电机(有刷电机)”。 在磁场中放置线圈,通过流动的电流,线圈会被一侧的磁极排斥,同时被另一侧磁极所吸引,在这种作用下不断旋转。在旋转过程中令通向线圈中的电流反向流动,使其持续旋转。电机中有个叫换向器的部分是靠电刷供电的,电刷的位置在转向器上方,随着旋转不断移动。通过改变电刷的位置,可使电流方向发生变化。换向器和电刷是DC电机的旋转所不可或缺的结构(图一)。

  换向器切换线圈中电流的流向,反转磁极的方向,使其始终向右旋转。电刷向与轴一同旋转的换向器供电。

  我们按电源种类和转动原理对电机进行了分类(图2)。让我们来简单看看各类电机的特点和用途吧。

  构造简单而又容易操控的DC电机(有刷电机)通常被用在家电产品的“光盘托盘的开闭”等用途上。或用在汽车的“电动后视镜的开闭、方向控制”等用途上。虽然它既廉价又能用在多个领域上,但它也有缺陷。由于换向器会和电刷接触,它的寿命很短,必须定期更换电刷或保修。

  步进电机会随着向其发出的电脉冲数旋转。它的运动量取决于向其发出的电脉冲数,因此适用于位置调整。在家庭中通常被用于“传真机和打印机的送纸”等。由于传真机的送纸步骤取决于规格(刻纹、细致度),因此随着电脉冲数旋转的步进电机非常便于使用。很容易解决信号一旦停止机器就会暂时停止的问题。

  旋转数随电源频率变化的同步电机被用于“微波炉的旋转桌”等用途上。电机组里有齿轮减速器,可以得到适合加热食品的旋转数。感应电机也受电源频率的影响,但频率和旋转数不一致。以前这类AC电机被用在风扇或洗衣机上。

  由此可见,各式各样的电机活跃于多个领域。其中,BLDC电机(无刷电机)具有怎样的特点才会用途如此之广呢?

  BLDC电机中的“BL”意为“无刷”,就是DC电机(有刷电机)中的“电刷”没有了。电刷在DC电机(有刷电机)里扮演的角色是通过换向器向转子里的线圈通电。那么没有电刷的BLDC电机是如何向转子里的线圈通电的呢?原来BLDC电动机电机采用永磁体来做转子,转子里是没有线圈的。由于转子里没有线圈,所以不需要用于通电的换向器和电刷。取而代之的是作为定子的线:BLDC电机的运转示意图。BLDC电机将永磁体作为转子。由于无需向转子通电,因此不需要电刷和换向器。从外部对通向线圈的电进行控制。

  DC电机(有刷电机)中被固定的永磁体所制造出的磁场是不会动的,通过控制线圈(转子)在其内部产生的磁场来旋转。要通过改变电压来改变旋转数。BLDC电机的转子是永磁体,通过改变周围的线圈所产生的磁场的方向使转子旋转。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。

  BLDC电机的定子上有三个线圈,每个线圈有两根电线,电机中共有六根引出线。实际上,由于是内部接线,通常只需要三根线,但还是比先前所说的DC电机(有刷电机)要多出一根。纯靠连接电池的正负极是不会动的。至于如何运行BLDC电机将在本系列的第二回中进行说明。此次我们要关注的是BLDC电机的优点。

  BLDC电机的第一个特点是“高效率”。可以控制它的回旋力(扭矩)始终保持最大值。DC电机(有刷电机)的话,旋转过程中最大扭矩只能保持一个瞬间,无法始终保持最大值。若DC电机(有刷电机)想要得到和BLDC电机一样大的扭矩,只能加大它的磁铁。这就是为什么小型BLDC电机也能发出强大力量的原因。

  BLDC电机有望被应用在更广泛的领域中。BLDC电机将会在小型机器人,尤其是在制造以外的领域提供服务的“服务机器人”中得到广泛应用。“定位对于机器人很重要,不是应该使用随电脉冲数运行的步进电机吗?”或许会有人这么想。但是在力量控制方面,BLDC电机更合适。另外,若采用步进电机,像机器人手腕这样的构造要固定在某个位置需要提供相当大的电流。若是BLDC电机,则能配合外力只提供所需的电力,从而抑制电力的消耗。

  还可用于运输方面。一直以来,老年人电动车或高尔夫球车中大多采用简单的DC电机,但最近都开始采用具有良好控制性的高效率BLDC电机了。可以通过细微的控制,延长电池的持续时间。BLDC电机还适用于无人机中。尤其是多轴机架的无人机,由于它是通过改变螺旋桨的旋转数来控制飞行姿态的,因此能够精密控制旋转的BLDC电机很有优势。

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