无刷电机似乎无处不在——家用电器、车辆、工具等。但什么是无刷电机，它与有刷电机有何不同？
无刷电机与 BLDC 电机是同一个意思。BLDC 电机的全称是无刷直流电机。
本文将回答与这种用途广泛的电机相关的所有基本问题。
目录
- 什么是无刷电机？
- 无刷电机的发展史
- 无刷电机的工作原理
- 无刷电机示意图
- 无刷电机 GIF 动画
- 有刷电机与无刷电机的对比
- 无刷电机的优势
- 无刷直流电机
- 用于无人机的无刷电机
什么是无刷电机？
无刷直流（BLDC）电机是一种利用永磁体与电磁铁之间的斥力和吸引力来驱动旋转的电机。BLDC 代表“无刷直流”，大致描述了该电机的工作方式。
电机的旋转由控制器管理，控制器向电机中的电磁铁定时输送电流脉冲，从而控制其转速。
在图 1 中，可以看到转子上的永磁体以红色和蓝色表示，定子上的电磁线圈以铜色表示。
图 1：无刷直流电机示意图
与其它电机相比，无刷电机以高效率和长使用寿命而闻名。描述这种电机的常见称呼有几种，包括无刷电机、无刷直流电机和 BLDC 电机。
无刷电机的发展史
无刷直流电机由 T.G. Wilson 和 P.H. Trickey 于 1962 年发明，并在其题为“采用固态换向装置的直流机”的 AIEE 论文中介绍。
在论文中，他们概述了希望解决的问题以及提出的解决方案。在关于基本考量的部分，他们概述了制造实用无刷电机必须克服的设计挑战：
“由于需要用静态元件进行机臂导体的切换，因此最好让切换元件本身不旋转。这可以通过将机臂绕线圈放置在定子上，并使磁极旋转来实现。使用永磁体作为磁场元件，则无需通过碳刷或变压器作用向转子供电 [...] 由机臂电流产生的磁场轴线也必须旋转，并且必须与转子完全相同的速度旋转。为此，必须将转子极的角位置信息持续传输至定子，以便精确切换机臂导体。”
在结论段落中，他们概述了其发明有望优于有刷电机的几种方式。他们提出的改进后来被证明是极其准确的：
“它应该能基本消除传统意义上的无线电干扰，并解决目前碳刷和换向器所面临的磨损与维护问题。该电机应具有极高的可靠性和长使用寿命。”
无刷电机的对应产品——有刷电机，早在 100 多年前的 1856 年就已发明。虽然自那时起也有其他进步，但这次重大的技术革新早已迟到很久了。
无刷电机的工作原理
无刷电机要运行，依赖于两个关键部件：1）安装永磁体的转子，2）安装铜线圈的定子，电流通过线圈时，线圈会变成电磁铁。
无刷电机可以是内转子电机，定子位于外部，转子在内部旋转；也可以是外转子电机，转子在定子外部旋转。
如需了解无刷电机机制的更详细解释，请查看我们的文章 无刷电机的工作原理。
图 2：内转子电机（左）和外转子电机（右）
当电流输送至定子线圈时，线圈会变成电磁铁，并产生南北极。当电磁铁的极性与正对的永磁体极性一致时，同极相斥，转子便会旋转。
如果电流保持这种配置，转子会短暂旋转，然后一旦相反的电磁铁与永磁体对齐，转子就会停止。因此，电流以三相信号的形式输送，不断改变电磁铁的极性，从而使转子保持旋转。
电机以与三相信号频率相同的速度旋转，因此如果您想让电机转得更快，就增加信号的频率。对于遥控车辆，通过增大油门来提高转速，这会告诉控制器增加开关频率。
为了了解如何以及何时给线圈通电，电机使用霍尔效应传感器来确定转子和定子的相对位置。这样，定子中的电磁铁就能按正确的顺序在合适的时间被激活，电机便能持续运转。
无刷电机示意图
无刷电机的工作原理最容易通过示意图/GIF 动画来展示，您可以在下方查看。
图 3：无刷电机 GIF 动画
无刷电机可以是内转子电机或外转子电机。上图中的电机是外转子电机，因为它安装永磁体的转子位于定子外部。每个永磁体也被称为一个“极”，电机的极数会影响其性能。
当永磁体与电磁铁对齐时，会被电磁铁排斥，从而推动转子绕圈旋转，而定子保持不动，在本例中为逆时针方向（图 3）。
右侧的电机控制器，也称为电子调速器（ESC），一侧连接电源或电池，另一侧连接电机。它可以直接连接到油门输入装置，也可以通过无线电信号等方式远程连接。ESC 从控制器获取油门信号的频率，并通过调节其开关频率来告诉电机转多快。
延伸阅读：如何控制电机转速
有刷电机与无刷电机
有刷电机是另一种利用磁性原理驱动旋转的电机。
有刷电机与无刷电机的主要区别是 它们的工作原理、效率和服务寿命。下表总结了这些差异，并在后文进行详细说明。
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有刷电机 |
无刷电机 |
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换向方式 |
机械式 |
电子式 |
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效率* |
较低（典型值为 75-80%） |
较高（典型值为 85-92%+） |
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发热 |
较高（输入功率的 20-25%） |
较低（输入功率的 8-15%） |
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初始成本 |
较低 |
较高 |
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维护要求 |
较高 |
较低 |
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电机转速控制 |
简单 |
较复杂 |
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使用寿命 |
较低 |
较高 |
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电磁噪声 |
较高 |
较低 |
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点火安全性 |
良好 |
非常好 |
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低速控制 |
良好 |
良好 |
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最大转速 |
~20,000 RPM |
>100,000 RPM |
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扭矩重量比 |
较低 |
较高 |
* 任何在扭矩和转速的高效运行范围之外运行的电机，效率都会较低（<50%），并会产生大量热量。
换向：在有刷电机中，电流通过碳刷与换向器的物理接触从换向器传输到电机绕线圈。在无刷电机中，电流通过半导体开关对定子线圈进行通断控制，从而实现电流控制。
效率： 无刷电机每消耗一瓦特功率所提供的扭矩高于有刷电机，因此效率更高。
初始成本：由于控制器的复杂程度更高，同尺寸无刷电机通常比有刷电机更贵。
维护要求： 有刷电机在换向器与碳刷接触处容易快速磨损，因此相关部件需要更频繁地更换。无刷电机没有同等程度磨损的部件，因此维护/更换的频率较低。
电机转速控制的复杂程度： 在有刷电机中，电机转速仅需通过施加电压来控制。在无刷电机中，电机控制器使用三相信号来控制旋转速度，因此信号传输更为复杂。
使用寿命： 无刷电机的使用寿命比有刷电机更长，因为它们不会出现同等程度的部件磨损和侵蚀。尽管如此，有刷电机有时可以进行翻新，以延长其使用寿命。
电磁噪声： 除了电机产生的声学噪声外，它们还可能产生电磁噪声，干扰系统的其他部件。有刷电机产生的电磁噪声往往比无刷电机更多，这可能会对本地电路造成电磁干扰。如果没有适当的隔离，这种干扰可能会导致电路故障并降低性能。
点火安全性： 无刷电机产生可能点燃易燃材料的火花的可能性要小得多。
低速控制：有刷电机具有简单的控制系统，在低速下运行良好。当与角编码器和控制电子设备结合时，无刷电机也可以以极低的速度旋转。这非常适合于悬浮板或大功率伺服电机等应用。ODrives为这类应用提供开源控制器。
最大转速： 由于有刷电机设计固有的摩擦，它们不适合在高速转速下使用。随着转速增加，电机中的碳刷往往会发热，从而导致磨损加剧和高温。另一方面，无刷电机由于没有碳刷，不会遇到这个问题，因此可以在极高的转速下运行。
扭矩重量比： 虽然有刷电机可以产生相当可观的扭矩，尤其是在低速下，但能产生同等扭矩的无刷电机体积要小得多，因此在扭矩重量比上具有优势。
无刷电机的优势
前一部分讨论了有刷电机与无刷电机的重要区别，但问题仍然存在：无刷电机本质上更好吗？
正如许多工程问题一样，最终取决于您打算如何使用电机。我们知道有刷电机并不适合高速转速应用，因此无刷电机在这些领域更胜一筹。有刷电机较低的效率和较高的维护成本也使其在某些用途中不那么理想。
尽管如此，有刷电机具有较低的初始成本、简单的转速控制，并且在低速下能产生平稳、高扭矩的运动。它们还具有线性的扭矩-转速关系，这使得控制它们更容易。虽然它们会随着时间的推移而磨损，但这些其他特性使其成为某些设备的理想选择，例如低速工业设备、搅拌机、雨刷器和移动医疗设备。
图 4：雨刷器中的有刷电机
另一方面，无刷电机在需要高速转速的领域往往表现出色，例如锯子、风扇和螺旋桨。它们在扭矩重量比上也具有优势，这对于在无人机和电动飞机等特定车辆，以及需要小型但大功率电机（如微型机器人）的领域非常重要。
BLDC电机也适用于预计使用率高且需要高效率的应用，例如无线工具、遥控车辆、供暖和制冷系统以及工业工程。其中一个例子是用于机器人导航和定位系统的激光探测与测距（LiDAR）系统，例如自动驾驶汽车和监控无人机。
图 5：用于机器人导航应用的 RPLiDAR 系统
无刷直流电机应用
让我们深入了解无刷电机的一些应用。
工业工程： 无刷电机因其高扭矩和长寿命，可用于许多工业工程流程。您可能会看到它们用于数控机床、直线电机和伺服电机。它们还用作执行器，控制工业机器人的运动，用于喷漆、产品组装甚至焊接等任务，例如在 塔塔钢铁 的英国工厂（图 6）。
装配线上的焊接机器人
家用： 由于重量轻且效率高，无刷电机是许多家用电器中的首选。它们几乎存在于家中的每个房间，用于吸尘器、咖啡机、吹风机、硬盘、打印机等设备。由于其中许多设备都是大量生产的，因此确保其具有高品质和可靠性非常重要，以免处理客户退货和维修。
无线电动工具： 由于无刷电机可以使用充电电池供电，因此它们非常适合需要极轻重量和高转速的无线应用。无线电钻约在十年前问世，但如今已占有售卖型号的 50%。这是无刷电机仍需与有刷电机竞争的领域之一，因此在决定选择哪款型号时，价格和使用频率是关键因素。
遥控车： 无刷电机可以以极高的转速旋转并迅速提供爆发速度，因此非常适合用于遥控车辆。遥控电机的特性，如电机 Kv 值、尺寸和功率额定值，会根据型号而有所不同。遥控车也可能配备汽油发动机，提供更长的运行时间，但会带来购买汽油和为车辆加油的麻烦。无刷电机在加速性能上往往优于汽油发动机，因此通常更适合赛车。
图 7：由无刷电机驱动的越野怪兽卡车遥控车
无人机用无刷电机
无刷电机的综合特性使其成为无人机的理想选择。它们重量轻、效率高、速度范围广且具有高扭矩能力，这些品质都对无人机非常有利。
消费级无人机用的无刷电机价格相对便宜，这使得无人机制造商可以测试不同型号，以确定哪些型号效率最高。由于其可靠性高，很少需要维护，而且更换电机通常比维修更便宜。
对于大型商用无人机和载人无人机，更大功率的无刷电机正在不断研发，以满足对更大功率、扭矩和推力的需求。这些电机正在推动交通运输行业所经历的电气化革命，包括对现有飞机机型的电气化改造以及新型 eVTOL 航空器的设计。
有许多类型的无人机，在尺寸、样式、动力来源和功能方面各不相同。无刷电机适用于许多应用，尽管汽油发动机和混合动力电机也同样被使用。
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结论
无刷电机几乎出现在我们生活的各个领域，而且其受欢迎程度还在不断提高。从家庭到工业环境，这些电机以其紧凑性、效率和可靠性给我们留下深刻印象。
要理解这些迷人的机器，需要一些关于电磁学和电气工程的基础知识，这些概念我们在这里已经讲解过。
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