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对直流无刷与永磁同步电机的理解

笔者见过太多太多关于直流无刷和永磁同步电机的误解了，如果以后再有人争论BLDC和PMSM是什么东西有什么区别，请以本文为准。

直流无刷电机，英语叫BLDC motor（brushless direct current motor）永磁同步电机，英语叫PMSM（permenant magnet synchronous motor）。

直流无刷电机名字的由来

首先说直流无刷电机。为什么叫直流无刷？这得先从有刷电机说起。历史上，包括现在依然有一些电机，采用的是电刷(brush)来换相，也就是直流有刷电机。

电机要转，电机绕组必须通过交变的电流，而且要使得定子的磁场永远是超前转子的磁场一步的。如果不超前，定子和转子的磁场对齐了，转子就转不动了，那么就没有扭矩产生了。那么如果你想在供电上省事，直接用直流电，那你就得有一个机械的换相器。（为什么要直流电？因为电池供电的话就是直流电，所以有刷电机曾经广泛运用于电动工具。更重要的是，记得交流电发明之前是电网是通过直流电输电的吗？当时，19世纪早期的时候，大多用的就是这种有刷电机来发电或者发动）这个电刷就是机械的换向器，电刷可以保证电机绕组中通过的永远是交变的电流。

但电刷有很多恶心的问题，首先现代的电刷一般是石墨做的，和铅笔有点像，磨着磨着就有小灰尘，甚至磨到后面直接磨没了就没法用了，那这灰尘即限制了电机的应用场景得是能耐粉尘的，又严重限制了电机的寿命。而且，一个在那摩擦的东西，转速一高必然发热严重，所以转速也没法高。可见，有刷电机的存在，主要就是为了解决供电是直流电的问题。如果你有交流电供电，谁犯得着使用这个制造又复杂，寿命又差的有刷电机呢？（当然也有一些特定的场景不仅仅是因为直流才使用有刷的，这是题外话，这种场景很少见，可以忽略不计）。

后来大家也就都知道了，因为电子元器件的发展，电子元器件价格变得很低了，和超强永磁体（也就是钕铁硼稀土永磁体）的普及，直流无刷电机问世并开始流行了。为什么要强调直流和无刷，因为他存在的目的就是为了取代（直流）有刷电机。我供电也是直流啊，但wokao电子元器件就可以实现电机的换相，而且电子元器件越来越便宜，那我为什么要用有刷呢？所以直流无刷电机逐渐取代了有刷电机，即使现在已经有刷电机已经越来越少，但是直流无刷这个曾经强调自己身份的名字还是流传了下来。

永磁同步电机名字的由来

要说永磁同步电机，也不能先说永磁同步电机，要先说感应电机，又称异步电机。

感应电机又称异步电机，是尼古拉斯·特斯拉在1887年发明的。其实感应电机的工作原理很复杂，相信电气专业学过电机课的同学都能懂，具体我就不对感应电机多作解释了。感应电机有两点比较重要的性质，那就是第一，感应电机没有励磁部分，即：他转子的磁场不是通过接外接电源通电或者永磁体产生的，而是靠定子磁场的感应电流产生的；第二，异步电机顾名思义，它具有异步性，即定子的磁场旋转速度和转子的旋转速度不一致，存在着速度差，而这个速度差越大，感应电机的扭矩也就越大。

为什么感应电机这个东西在工业中广泛运用呢？因为它使用起来实在是太方便了。正常工厂里电网都会有三相电，电网的三根火线往感应电机上线一接，电机就能转了，而且还可以根据负载大小自动调节转速，什么电气控制电路都不需要，而且皮实，稳定，耐操，只要轴承不坏，绝缘不出问题，感应电机用几万个小时很轻松。对于大部分只要能转就行的场合，是再合适不过了。但另一方面，因为接上电就能用的东西，速度和扭矩完全就是看负载的，可操控性是很差的，如果要让电机转到固定的某个位置，或者走某个轨迹，那更加是不可能的。（当然，我是说只接工频交流电的时候，如果电的输入是你自己控制的，那其实还是可以实现的，比如特斯拉电动车里的感应电机）那对于一些要求高的场合怎么办？具体来说，我希望能控制电机的速度，电机的扭矩，电机的位置，怎么办？因此同步电机出现了。为啥叫同步电机？因为转子有励磁源，转子的磁场和转子的位置是固定的，那定子磁场只要超前转子磁场一点，转子就转起来了，那定子磁场永远相对于转子磁场，永远超前不多不少，就那么一点，它俩相对位置不变，转子和定子的磁场是同周期同步运行的，所以叫同步电机。那这样我们只要控制定子的磁场，那就想怎么控制就怎么控制。

那刚刚说了，转子磁场的励磁，也就是转子磁场的来源，可以是像电磁铁一样，通过通电实现的，也可以是通过永磁体实现的，那么用永磁体实现的就叫永磁同步电机了。为啥要用永磁体？Zui大的原因那当然是因为方便。你想想如果一个东西又要转，又提供一个相对自身（即相对于转子自身）不变的磁场，除了永磁体之外还有什么办法？而且以钕铁硼为代表的永磁体能量密度大，可以实现更高的扭矩。如果要通过通电，就算可以实现，能量密度低不说，通电产生大量浪费的焦耳热也是问题。

所以永磁同步电机，重点就是用了永磁，以及区别于感应电机（也就是异步电机），要强调同步性。

为何要强调同步性

因为异步电机比同步电机早普及。异步电机插上交流电就能用（那交流电哪里来？没错就靠异步电机反向输出就行了！），而同步电机还是得靠芯片等电子元器件来实现同步，人家18xx年上哪里去搞芯片去？

直流无刷电机和永磁同步电机的区别

实际上，无刷直流电机和永磁同步电机，从Zui基本的定义上，压根就难以放在一起讨论。无刷直流强调的是电机的供电源和电子换相，而永磁同步强调的是同步性和永磁励磁。一个讲电源，一个讲电机本身的固有属性。

就像你问，黑色的汽车和SUV汽车有啥区别？是不是有点像在讨论白马非马？真的吗？

现实往往比想象中复杂。在我们实际工业界中，有一些不成文的规矩。

我们刚刚说了，直流有刷电机通过电刷换相，而电机转子上的换向器的某一个触电和电刷只有两种可能，那就是接触和不接触，所以只存在0和1的区别。那电机的绕组两端就会是开开关关的方波状态。

那直流无刷是为了取代有刷电机的，那自然而然地，把这个特性也保留了下来。直流无刷电机的控制器也就是简单的0和1的区别，开开关关就行了。那为了Zui大化利方波控制器的特性，电机的转子会设计成方波磁场的，那自然而然地会使用径向距离相等的磁铁。也就是等厚磁铁。那么电机的反电动势会趋于梯形波。（当然，完美的方波磁场和梯形波反电动势当然是不可能的，实际上磁场会发生一定程度的扭曲。而且，也不是有了等厚的磁铁就一定意味着方波磁场。磁场的形状是很复杂的，还受别的设计因素影响）。

那同理，永磁同步电机一般是为了区别于异步电机，而驱动异步电机的可是三相交流电，而三相交流电是比较完美的正弦波，那我们驱动永磁同步电机也一般会用正弦波去驱动，那么为了Zui大化正弦波的利用效率，电机磁场也会被设计为正弦波磁场，而反电动势也随之具有正弦性。所以，你会看到，有些PMSM磁铁采用不等厚的花瓣形，目的就是为了产生正弦性好的磁场。

方波和正弦波磁场电机的区别

正弦波磁场的电机更适合伺服控制。正弦函数好比微分方程里的万精油，分析处理都简单。

对应的，方波电机没有正弦性好的电机做伺服控制了，因为方波的傅里叶变换当中有很多谐波分量，而谐波在很多场景下都是我们不想要的。当然，方波也不是不能做伺服，也可以做，要求不高的场景用用问题不大（而大部分应用场景也确实要求不高）。

而正弦波电机是真的可以做到很高程度的正弦性，总谐波失真（THD）不到1%。搞信号分析的可能觉得THD1%不算什么，但对于磁场这种难以捉摸的东西来说，精度已经很高了。但方波电机却很难做到真正的方波，因为磁铁是会有漏磁的，磁一漏，好好的方波就没了，而是在方波的两个尖角处形成圆弧，像吐司面包的形状。

当然方波电机也不是没有优点，用样的电流，方波电机理论上扭矩会大一些，毕竟那些谐波磁场也是可以参与产生扭矩的。

当然，所谓BLDC是方波，PMSM是正弦波，也就只是不成文的规矩。遵守不遵守完全看厂家的心情。在学术界发，这两个词如果用了，那基本上就是按字面的定义意思。毕竟我硬是拿着方波永磁磁场的电机说这是PMSM你也不能说我说错了，因为它确实是同步电机，也是确实有永磁。而我拿着正弦波电机说这是BLDC也不能说我错，只要我用的是直流电源+逆变驱动电机。

对直流无刷与永磁同步电机的理解无刷电机的运转方式不同，又可以分为内转子无刷电机和外转子无刷电机。

内转子都是三相的，价格较贵。外转子通常使用的是单相的，价格亲民，大批量生产已经接近碳刷电机，因此近年来得到广泛应用。外转子三相的价格已经接近内转子的价格。 

嗯，猜都能猜到，有刷电机的缺点就是无刷电机的优点。

它具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速（可达很高转速）等优点，它相对比有刷直流电机体积小的多，控制比异步交流电机简单，启动转矩大过载能力强，至于缺点嘛……就是比有刷的贵、不好维护。

直流电机的调速

所谓调速，即通过调节电机转速获得所需扭矩。

直流（有刷）电机通过调节电压、串接电阻、改变励磁都可以调速，但是实际以调节电压Zui为方便也Zui为常用，目前主要使用PWM调速，PWM其实就是通过高速的开关来实现直流的调压，一个周期内，开的时间长，平均电压就高，关的时间长，平均电压就低，调起来很方便，只要开关速度够快，电网的谐波就少，且电流更为连续。

但是电刷和换向器长期磨损，同时在换向的时候有巨大的电流变化，非常容易产生火花，换向器和电刷限制了直流电动机的容量和速度，使得直流电动机的调速遇到了瓶颈。

对于无刷直流电机，调速的时候表面上只控制了输入电压，但电机的自控变频调速系统（无刷直流电机本身自带转子位置检测器等转子位置信号获取装置，使用此装置的转子位置信号来控制变压变频调速装置的换相时刻）自动根据变压控制了频率，用起来和直流（有刷）电机几乎一样，非常方便。

由于转子采用永磁体，不需要专门的励磁绕组，在同等容量的情况下，电机体积更小，重量更轻，效率更高，结构更紧凑，运行更可靠，动态性能更好，在电动汽车的驱动等方面都获得了广泛的应用。