谈谈无刷直流电机

在过去的一个世纪中，电动工具有了长足进步。今天，它们更具备了无绳、轻巧的特性，由电池驱动且功能强大，分担了我们的大量工作。那么，是什么推动着电动工具的发展?除了电动工具爱好者外，很大程度上要归功于半导体技术的诸多进步——尤其对于无绳电动工具。

本篇博客涵盖了无绳、电池供电型产品的关键特性，包括促进其不断演进的因素及发展路途中的众多挑战;介绍了微处理器与无刷直流电机如何在改变我们今天所使用的电动工具中发挥了重要作用。此外，文章还探讨了电动工具中无刷直流电机的引入，及为制造商带来怎样的竞争优势。

电动工具主要组件

电动工具的第一个组件是电源。所有电动工具都可以分为两大类：有绳和无绳。

有绳工具——电源为交流电，需要插入“墙壁”上的插座才能进行操作。

无绳工具——依靠存储在不同化学物质电池中的电能，例如镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NiMH)和锂离子(Li-Ion)。

锂离子电池由于其能量密度的增强以及保持电荷的弹性，而成为性能最为突出的电池类型。

第二个部件为执行器，或者是将电能转化为机械能的电机。这种电机可以是通用的 AC/DC 有刷电机、直流有刷电机或无刷直流(BLDC)电机。当今的许多工具已经转向三相 BLDC 电机拓扑结构。

最后，采用一个开关来控制电源到电机的能量传输。这个组件可以是简单的中断器，控制是否有电流流动;或者稍微复杂一点的器件，如允许用户指定多少能量从电源流向电机的电位计等。

电动工具的挑战

在电动工具发展的前 100 年，设计和制造钻头、打磨机、磨床、螺丝刀、吹风机、锯等工具时，仅需一部电源、一台电机和一个开关/电位器。然而，在 20 世纪，高能量密度电池的出现改变了这一情况。此外，我们还看到了绿色能源解决方案的出现，以及将其融入所有设计形式中的趋势。

我们所面临的挑战是如何继续使用电位计来控制工具的运转速度，而不必让高电流通过其电阻组件。正如我们稍后将看到的，这是一个相当简单的修复性举措。另一方面，事实证明电机是一个更具实质性且复杂的挑战。

在电动工具发展初期，所采用的电机要么是用于有绳工具的有刷通用 AC/DC 电机，要么是用于无绳工具的有刷直流电机，如下图所示。由于这两种电机本质的拓扑结构均为有刷电机，因此均通过碳刷将电流传递到铜质换向器，随后产生内部旋转磁场来获得运动。将电磁铁绕组与换向器一起放置于转子，永磁体放置在定子上，可以得到不断相互作用的两个磁场，从而实现我们所需要的运动。

不幸的是，这以电刷和换向器间的大量摩擦为代价。摩擦力相当剧烈，经过长时间的使用，电机会自行损坏;摩擦所产生的能量最终以热的形式被浪费。这部分能量的源头来自电源，却并没有产生任何有用功。据统计，围绕这种拓扑结构的系统效率低于 80%(在最佳情况下);这意味着电池内部 20% 的能量被用来产生热量。

当您尝试用电池供电的电钻打孔时，耗费 1/5 的电能来产生热量，听起来并不很吸引人。

采用 BLDC 电机拓扑应对挑战

鉴于以上所讨论的各种挑战，很明显，更换或拆卸电刷和换向器至关重要。如下图所示，这在三相 BLDC 电机拓扑结构中更为突出。BLDC 电机无需使用电刷或机械换向器就能为我们提供完全相同的旋转运动;与之相对，我们以电子方式产生旋转磁场。通过电子电路，我们可以创建两个相互作用的磁场以驱动电机运动。这样做的优点是消除了转子和定子组件间的摩擦，从而增加了可靠性与能效。