BLDC直流無刷電機工作原理

1.介紹

什么是BLDC？

BLDC（Brushless Direct Current Motor，無刷直流電機）是一種采用電子換向替代傳統機械電刷和換向器的直流電機，兼具直流電機的調速性能和交流電機的結構優勢

在這之前我們先了解一般電機的分類以及直流有刷電機

直流有刷電機：

直流有刷電機（Brushed DC Motor）是一種通過機械電刷與換向器實現電流換向的直流電機，結構簡單、控制方便，是最早普及的電機類型之一，廣泛應用于玩具、小型家電、汽車雨刮器等低成本、低精度場景。

核心結構

定子：由永磁體（或勵磁繞組）組成，提供固定磁場。
轉子（電樞）：由鐵芯、繞組和換向器組成，繞組通電后在磁場中受力轉動。
電刷：通常為碳刷，與換向器滑動接觸，將外部直流電引入轉子繞組。

工作原理

外部直流電壓通過電刷輸入轉子繞組，產生電流；
通電繞組在定子磁場中受電磁力形成轉矩，驅動轉子旋轉；
轉子轉動時，換向器與電刷配合自動切換繞組電流方向，確保轉矩方向不變，維持持續旋轉

直流無刷電機：

直流無刷電機（Brushless DC Motor，簡稱 BLDC）是一種取消機械電刷和換向器，采用電子電路實現電流換向的直流電機，兼具高效率與高可靠性，廣泛應用于無人機、家電、工業控制等領域。

核心結構

定子：由硅鋼片和三相繞組組成，通入電流產生旋轉磁場。
轉子：內置永磁體（如釹鐵硼），無需繞組和電刷，依賴定子磁場驅動旋轉。
電子換向系統：由控制器（MCU）和逆變器（MOSFET/IGBT）組成，替代電刷實現電流換向，部分需霍爾傳感器或無傳感器算法檢測轉子位置。

工作原理

定子三相繞組通過逆變器通入電流，產生旋轉磁場；
轉子永磁體受磁場力驅動旋轉，與定子磁場保持同步；
控制器根據轉子位置實時切換繞組通電相序（電子換向），確保轉矩持續輸出。

結構分類

按結構可以把直流無刷電機分為：1.外轉子直流無刷電機 2.內轉子直流無刷電機

上面介紹了內轉子結構的示意圖，下面介紹外轉子結構的示意圖：

在介紹這兩種結構的電機的區別之前，要先了解兩個概念：

1.轉動慣量

轉動慣量（Moment of Inertia）是描述剛體繞軸轉動時慣性大小的物理量，用符號J表示。其核心意義是：物體保持原有轉動狀態（勻速轉動或靜止）的抵抗能力。轉動慣量越大，物體越難被加速或減速（類似平動中的質量）。它與物體的質量分布和轉動軸位置相關：質量越大、質量分布離軸越遠，轉動慣量越大

圓柱狀或圓盤狀轉動慣量計算公式：

m:物體質量? ? r:半徑

2.扭矩

扭矩（Torque），也稱為轉矩，是使物體發生轉動的作用力矩。

核心意義：描述力對物體繞軸旋轉的 “轉動效果”。扭矩越大，物體越容易被轉動或加速旋轉（類似平動中的力）。

它與作用力大小、力的作用點到旋轉軸的距離（力臂）相關：力越大或力臂越長，扭矩越大（公式：扭矩 = 力 × 力臂）。

直流電機電磁轉矩公式：

T：電機輸出轉矩（單位：N?m 等）
Kt?：電機轉矩常數（與電機設計、繞組參數相關，固定值）
I：電機電樞電流（單位：A ）

i. 內轉子直流無刷電機：通常提供更高的轉速和更好的動態響應
轉子在內部：內轉子電機的轉子位于電機中心，通常固定在中間的軸上，而定子則圍繞其外部。
高轉速：內轉子電機能夠達到更高的轉速，這是因為轉子的轉動慣量較小，啟動和停止較快。
高動態性能：由于較小的轉動慣量，內轉子電機通常提供更好的動態性能，例如更快的加速和減速。
較好的散熱：內轉子電機通常有較好的散熱性能，因為定子位于外部，更容易散發熱量。
應用場景：由于其動態性能和高轉速特性，廣泛應用于需要精確控制的場合，例如小型風扇、高速泵和精密工具。

ii. 外轉子直流無刷電機：提供更大的扭矩和更穩定的低速運行
轉子在外部：外轉子電機的轉子是圍繞定子外側旋轉的，這種設計通常呈現出一個較大的圓盤形狀。
低轉速、高扭矩：外轉子電機由于轉子的直徑較大，可以在較低的轉速下提供更高的扭矩。
穩定的轉動：外轉子電機的轉子轉動慣量較大，這使得它們在轉動時更加穩定。
緊湊的設計：這種設計通常使電機的整體高度較低，但是在徑向尺寸上更大。
應用場景：常見于需要高扭矩和低轉速的應用中，如電動自行車、無人機、風扇、運動類機器人關節和一些工業應用中的旋轉部件。

繞線方法

三相直流無刷電機含義：

一、名稱含義拆解

“三相”：指電機的定子繞組采用三相設計U，V，W相（A、B、C 相），三相繞組在空間上互差 120° 電角度，通過按特定順序通入電流，形成旋轉磁場，驅動轉子轉動。這與三相交流電機的繞組布局類似，目的是實現平穩的轉矩輸出。
“直流”：指電機的供電方式為直流電（如電池、直流電源），但并非直接將直流電通入繞組，而是通過控制器將直流電逆變為三相交流電，間接為定子繞組供電。因此，它本質上是 “直流供電、交流運行” 的電機。
“無刷”：區別于傳統有刷直流電機，其轉子上沒有電刷和換向器（這是有刷電機的易損部件），而是通過電子控制器和位置傳感器（如霍爾傳感器、編碼器）實現 “電子換向”，從而避免了電刷磨損、火花干擾等問題。

二、核心構成

三相直流無刷電機主要由三部分組成：

定子：與交流電機類似，由硅鋼片疊壓而成，槽內嵌入對稱的三相繞組（通常為星形或三角形連接），是產生旋轉磁場的核心。
轉子：由永磁體（如釹鐵硼、 ferrite 磁體）組成，多為表面貼裝或內置式結構，通過永磁體產生恒定磁場，在定子旋轉磁場的作用下受力轉動。
控制器與傳感器：
控制器（逆變器）：將直流電轉換為三相交流電，根據轉子位置調整各相電流的通斷順序，實現電子換向。
位置傳感器：實時檢測轉子位置（如霍爾傳感器輸出高低電平信號），為控制器提供換向時機的依據。

三、工作原理：電子換向驅動旋轉

磁場相互作用：定子三相繞組通入交變電流后產生旋轉磁場，轉子永磁體的磁場與旋轉磁場相互作用（同性相斥、異性相吸），帶動轉子跟隨旋轉磁場轉動。
電子換向過程：
傳感器檢測轉子當前位置（如某磁極正對 A 相繞組），將信號傳給控制器。
控制器根據位置信號，按特定時序（如 A 相通電→B 相通電→C 相通電→A 相通電…）切換三相繞組的電流方向，使旋轉磁場持續超前轉子磁場一個角度，保證轉子持續轉動。
換向頻率與電機轉速成正比（轉速越高，換向越頻繁）。

三、接線：形成三相繞組

星形（Y）連接：A、B、C 三相的尾端接公共點（中性點），首端引出作為 A、B、C 相線。

三角形（Δ）連接：A 相首接 B 相尾，B 相首接 C 相尾，C 相首接 A 相尾，引出三個連接點作為相線。

六步換相

六步換相是三相無刷直流電機常用的一種換相方法。在這種方法中，電機的三相繞組（A、B、C）在每次換相中，兩相通電，一相懸空，每個換相周期分為 6 個步驟，按照特定的換相邏輯依次激勵各相繞組，從而產生定子旋轉磁場，驅動電機轉子旋轉。以下是具體的換相過程：

第一步：電流從 A 相流入，B 相流出（記作：電流 AB），此時轉子在磁場力作用下逆時針旋轉至特定位置。
第二步：電流改為從 A 相流入，C 相流出（記作：電流 AC），轉子繼續逆時針旋轉 60° 至新的位置。
第三步：電流變為從 B 相流入，C 相流出（記作：電流 BC），轉子再次逆時針旋轉 60°。
第四步：電流改成從 B 相流入，A 相流出（記作：電流 BA），轉子又逆時針旋轉 60°。
第五步：電流變為從 C 相流入，A 相流出（記作：電流 CA），轉子繼續逆時針旋轉 60°。
第六步：電流改為從 C 相流入，B 相流出（記作：電流 CB），轉子再逆時針旋轉 60°，回到初始位置附近，完成一個完整的換相周期。

電機有兩種旋轉方向：順時針旋轉（CW），逆時針旋轉（CCW）。如果想讓電機順時針轉動，只需按照與逆時針轉動相反的順序調整電流方向，即 AB→CB→CA→BA→BC→AC→AB。為了確定換相時刻，通常需要通過霍爾傳感器或其他位置傳感器檢測轉子的位置，從而確保同步換相。

根據矢量合成的法則：

以V+W-舉例：

同理，其余5種情況也都可以分別合成一個磁場方向，最后把矢量移動到中心點我們可以得到下面這張圖：

電機參數介紹

1. 轉速（RPM）
定義：單位是 “轉 / 分鐘（RPM，Revolutions Per Minute ）”，指電機轉子 1 分鐘能轉多少圈，直接體現電機轉得有多快。比如轉速 3000RPM，就是轉子 1 分鐘轉 3000 圈。
影響：轉速越高，理論上能輸出的 “速度型” 動力越猛（像無人機電機高轉速能讓螺旋槳快速轉動產生升力），但也和電機扭矩等特性相互制約。
2. 轉子磁極數
定義：把轉子上 N 極（北極）和 S 極（南極）的數量加起來，就是磁極數。
關聯：它和電機轉速、轉矩相關，磁極數越多，在相同輸入下，電機轉速往往越低，但能輸出的轉矩可能越大（類似 “力氣大但跑得慢” ），常和極對數配合計算電機理論轉速（公式里會用到）。
3. 轉子極對數
定義：因為 1 個 N 極和 1 個 S 極算 “1 對”，所以極對數 = 轉子磁極數 ÷2 。要是磁極數 14，極對數就是 7 。
作用：在計算電機同步轉速（交流電機相關）等場景會用到，像公式 “同步轉速 n = 60f /p（f 是電源頻率，p 是極對數）”，能幫我們預判電機在理想狀態下的轉速上限。
4. 相電阻
定義：指電機某一相定子繞組兩端的電阻大小。
意義：在 FOC（磁場定向控制）等算法里，搭建電機模型、推導控制公式時要用到它，能反映繞組導電時的 “阻力”，電阻過大，電機通電后發熱會更嚴重，影響效率和壽命。
5. 相電感
定義：某一相定子繞組兩端的電感大小。
意義：同樣是 FOC 算法建模、公式推導的關鍵參數，電感體現了繞組 “儲存磁場能量” 的能力，會影響電機電流變化速度、轉矩響應快慢，對電機動態性能（比如突然加速、減速時的表現）影響大。
6. 反電動勢常數（系數）
定義：單位是 “V/Krpm”，意思是電機每 “千轉每分鐘（Krpm，1Krpm = 1000RPM ）” 的轉速下，產生的反電動勢（電機轉動時，繞組切割磁感線自己也會 “發電”，產生和輸入電壓反向的電動勢）電壓值。
用途：FOC 控制算法里計算磁鏈值會用到，它能反映電機 “發電反饋” 的特性，也間接和電機轉速、電磁特性掛鉤，選電機驅動器、設計控制策略時得考慮它。
7. 霍爾傳感器安裝角度
定義：是霍爾傳感器安裝時對應的電角度。
作用：霍爾傳感器能檢測轉子位置，安裝角度準不準，直接影響電機電子換向（無刷電機靠它感知轉子位置來切換電流方向）是否精準，要是角度不對，電機可能轉不穩、抖動甚至無法正常工作。
8. KV 值
定義：電機在 “無負載” 時，每增加 1 伏特（V ）電壓，轉速增加的轉數（RPM ），公式是 “KV = 轉速（RPM）÷ 電壓（V）” 。比如 2000RPM 轉速對應 24V 電壓，KV 值就是 2000÷24≈83.3 。
特點：它體現電機 “對電壓變化的轉速響應”，KV 值越高，加相同電壓，電機轉速提升越猛（像高 KV 值的航模電機，給點電壓就轉得飛快），但通常低 KV 值電機能輸出更大轉矩，選電機時要結合需求（要速度還是要力氣）。
9. 功率
定義：指電機的額定輸出功率，也就是電機穩定工作時，能持續向外輸出的 “動力大小” 。
關鍵：選電機時，得讓設備需求功率≤電機額定功率，不然電機容易過載、發熱損壞，它直接代表電機 “能干多大活” 的能力，和電壓、電流等參數也能通過公式關聯（比如直流電機功率 P = 電壓 × 電流 × 效率，效率體現電能轉機械能的損耗）。

三相H橋電路控制電機的旋轉

N溝道MOS管

半導體基礎知識回顧

N型半導體

在本征半導體（如硅、鍺）中摻入少量五價元素（如磷、砷），形成以自由電子為多數載流子、空穴為少數載流子的半導體。因電子帶負電（Negative），故稱 N 型。導電性主要由自由電子定向移動決定。

P型半導體

在本征半導體中摻入少量三價元素（如硼、鎵），形成以空穴為多數載流子、自由電子為少數載流子的半導體。因空穴可視為正電荷（Positive），故稱 P 型。導電性主要由空穴定向移動（等效于正電荷移動）決定。

二者相結合就形成了PN結

單向導電性

當 PN 結外加正向電壓（P 區接電源正極，N 區接電源負極）時，外電場與內電場方向相反，削弱了內電場，空間電荷區變窄，載流子的擴散運動增強，形成較大的正向電流，PN 結處于導通狀態；當 PN 結外加反向電壓（P 區接電源負極，N 區接電源正極）時，外電場與內電場方向相同，內電場增強，空間電荷區變寬，載流子的擴散運動難以進行，只有少數載流子形成的微小反向電流，PN 結處于截止狀態。

三極管

三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區，兩側部分是發射區和集電區，排列方式有PNP和NPN兩種。

發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結，而集電區與基區形成的PN結稱為集電結, 三條引線分別稱為發射極e（Emitter）、基極b(Base)和集電極c(Collector)。

是一種控制電流的半導體器件，可把微弱信號放大成幅度值較大的電信號。

三極管有截止、放大、飽和三種工作狀態，其狀態由發射結和集電結的偏置電壓決定，具體如下：

截止狀態
條件：發射結反向偏置（發射極與基極間加反向電壓），集電結反向偏置。
特點：基極電流≈0，集電極電流≈0，三極管相當于斷開的開關，輸出端近似等于電源電壓（NPN 型）。
放大狀態
條件：發射結正向偏置（發射極與基極間加正向電壓，如硅管≥0.7V），集電結反向偏置。
特點：集電極電流與基極電流成正比例關系（Ic = β×Ib，β 為電流放大倍數），可實現電流、電壓或功率的放大，常用于信號放大電路。
飽和狀態
條件：發射結正向偏置，集電結正向偏置（基極電流過大，導致集電極與發射極間電壓極低）。
特點：集電極電流達到最大值（不再隨基極電流增大而增大），三極管相當于閉合的開關，輸出端電壓近似為 0（NPN 型），常用于開關電路。

輸入輸出特性曲線：

N溝道MOS管

將一個 P 型半導體挖 2 個凹槽，嵌入 N 型半導體，給 2 個 N 型半導體引出 2 個金屬電極，為漏極和源極，漏極連接電源的正極，源極連接電源的負極，這個時候它是截止的，因為他們之間形成了 2 個二極管，而且方向相反，一個導通，另外一個就截止，所以此時 MOS 管是截止狀態的。

在P區加一層二氧化硅絕緣層，在絕緣層上面制作一層金屬板，加上金屬板后整體構成了一個柵極，當我們給柵極接上電，這個時候金屬板上就有電場，會吸引P區的電子聚集到絕緣層附近，當電子聚集的足夠多時，就形成了N溝道

當把柵極的電壓去掉，此時N溝道消失，MOS管截止

MOS 管的 2 個重要特性：

特性 1：MOS 管的柵極輸入阻抗非常高，這是因為有二氧化硅絕緣層的存在。幾乎完全做到了隔離，造成輸入電阻能到上億歐姆級別的。所以柵極輸入幾乎不取電流。所以我們說 MOS 管是一種壓控型元件。

特性 2：MOS 管的柵極很容易被靜電擊穿，由于柵極輸入阻抗很大，感應電荷很難釋放，產生的高壓很容易就把絕緣層擊穿，造成 MOS 管永久損壞，擊穿后會造成柵極和源極之間短路

MOS管的符號分析

體二極管

體二極管是 MOS 管（金屬 - 氧化物 - 半導體場效應管）芯片內部天然形成的寄生二極管，又稱 “體寄生二極管” 或 “內在二極管”。（電機換相時產生）

在 MOS 中原本襯底和源極、襯底和漏極都會形成 PN 節，所以每個這樣的結構我們都可以看做是一個二極管，而且這種 PN 節自然形成的二極管，具有標準二極管的所有基本特性。但是因為要消除襯底與源極之間的電壓差，讓?MOS 管導通 / 截止特性更穩定，所以源極和襯底是短接在一起的，所以就剩漏極和源極一個 PN 節了。

作用：在電路中可作為續流二極管，如電機驅動、開關電源中，當 MOS 管截止時，為感性負載的反向電流提供通路，保護器件。但需注意其反向恢復速度較慢，高頻場景需額外設計續流電路。

三相逆變橋的電路原理圖分析

通過控制 6 個 MOS 管的開關邏輯（如六步換相），將直流電壓逆變為三相交流電，可驅動三相電機（如無刷電機），采樣電阻用于電流反饋，實現閉環控制。

我們可以把每個MOS管都看作一個開關：

此時，只需要控制開關就可以控制電機的旋轉

我們通過KV值可以知道當兩相之間的電壓是最大值（24V）的時候，此時轉速也是最大（滿轉）

那么我們只需要控制兩相之間的電壓就能夠控制電機的轉速了

比如要控制U,V之間的電壓是12V，只需要設置占空比為50%即可，這里占空比和PWM的概念就不贅述了

轉子的位置分析和霍爾傳感器

因為在電機驅動當中，我們首先要知道轉子當前的位置，我們才能確定H橋中MOS的導通關系來讓轉子動起來，所以要用到檢測轉子位置的傳感器

霍爾傳感器

金屬或半導體薄片放置在磁感應強度為B的磁場（磁場方向垂直于薄片）中，當有電流I通過時，在垂直于電流I和磁場B的方向上將產生電壓Uh，這種物理現象稱為霍爾效應，該電壓被稱為霍爾電壓。

霍爾傳感器的分類

模擬類霍爾傳感器：將霍爾電壓通過運放電路放大后輸出

數字類霍爾傳感器：將磁信號轉換為數字電信號輸出，如圖：

因為三相直流無刷電機內部安裝有 U、V、W 三個數字型霍爾傳感器，霍爾傳感器可以檢測到永磁體轉子的磁場變化，所以我們可以通過霍爾傳感器的輸出值來確定電機內部轉子的實時位置。只有檢測到轉子的實時位置，才能讓定子繞組通過六步換相產生磁場吸引轉子的旋轉。

霍爾傳感器安裝位置

電角度和機械角度

機械角度：指的是電機轉子在物理空間上旋轉的角度，以圓周為 360° 來計量，是從機械運動的角度對轉子位置的直觀度量。比如一個普通的圓盤，它旋轉一周，機械角度就是 360°，無論這個圓盤是否是電機的轉子，機械角度的計量方式都是基于實際的空間旋轉。
電角度：基于電機磁場的周期性變化來定義，把電機磁場變化一個周期所對應的角度定義為 360° 電角度。在電機中，磁場的分布和變化與電機的極對數密切相關，電角度用于描述電機磁場的狀態和位置，反映了電機內部電磁關系的變化。

計算公式

? ? ? ? ? ? ? 電角度 = 機械角度 × 極對數?