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无刷直流电机(BLDC)基础

引言无刷直流（Brushless Direct Current， BLDC）电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。正如名称指出的那样，BLDC 电机不用电刷来换向，而是使用电子换向。BLDC 电机和有刷直流电机以及感应电机相比，有许多优点。其中包括：• 更好的转速－转矩特性• 快速动态响应• 高效率• 使用寿命长• 运转无噪音• 较高的转速范围此外，由于输出转矩与电机体积之比更高，使之在需要着重考虑空间与重量因素的应用中，大有用武之地。在本应用笔记中，我们将详细讨论 BLDC 电机的构造、工作原理、特性和典型应用。描述 BLDC 电机时常用术语的词汇表，请参见附录 B：“词汇表”。

构造和工作原理
BLDC 电机是同步电机中的一种。也就是说，定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。BLDC 电机不会遇到感应电机中常见的 “差频”问题。
BLDC 电机可配置为单相、两相和三相。定子绕组的数量与其类型对应。三相电机最受欢迎，使用最普遍。本应用笔记主要讨论三相电机。

定子
BLDC 电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中（如图 3 所示）。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。多数 BLDC 电机都有三个星型连接的定子绕组。这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕组，以构成均匀分布的磁极。
有两种类型的定子绕组：梯形和正弦电机。以定子绕组中线圈的互连方式为依据来区分这两种电机，不同的连接方式会产生不同类型的反电动势（ElectromotiveForce，EMF）。更多信息，请参见“反电动势的定义”。
正如它们的名称所示，梯形电机具有梯形的反电动势，正弦电机具有正弦形式的反电动势，如图1和图2所示。除了反电动势外，两类电机中的相电流也有梯形和正弦之分。这就使正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑。但是，随之会带来额外的成本，这是因为正弦电机中线圈在定子圆周上的分布形式会使绕组之间有额外的互连，从而增加了耗铜量。
根据控制电源的输出能力，选择定子的额定电压合适的电机。48 伏或更低额定电压的电机适用于汽车、机器人和小型机械臂运动等应用。100 伏或更高额定电压的电机适用于家用电器、自动化和工业应用。

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