直流無刷電機(jī)(BLDC:Brushless Direct Current Motor),也被稱為電子換向電機(jī)(ECM或EC電機(jī))或同步直流電機(jī),是一種使用直流電(DC)電源的同步電機(jī)。直流無刷電機(jī)實質(zhì)上為采用直流電源輸入,并用逆變器變?yōu)槿嘟涣麟娫?,帶位置反饋的,永磁同步電機(jī)。電機(jī)有各式各樣的種類,而直流無刷電機(jī)是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。它集直流電機(jī)與交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身,既有直流電機(jī)良好的調(diào)整性能,又有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因而備受市場歡迎,廣泛應(yīng)用于汽車、家電、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域中。
直流無刷電機(jī)并不是最早的產(chǎn)品,而是在有刷電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,其結(jié)構(gòu)上要比有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。直流無刷電機(jī)由電機(jī)主體和驅(qū)動器組成,區(qū)別于有刷直流電機(jī),無刷直流電機(jī)不使用機(jī)械的電刷裝置,而是采用方波的自控式永磁同步電機(jī),并以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料。但是,早在上世紀(jì)誕生電機(jī)的時候,產(chǎn)生的實用性電機(jī)卻是無刷形式的。1740年代:電機(jī)發(fā)明開始通過蘇格蘭本篤會修士和科學(xué)家安德魯·戈登(Andrew Gordon)的研究工作,電機(jī)的早期模型首次出現(xiàn)于1740年代。其他科學(xué)家,例如邁克爾·法拉第(Michael Faraday)和約瑟夫·亨利(Joseph Henry)繼續(xù)開發(fā)早期的電機(jī),嘗試電磁場并發(fā)現(xiàn)如何將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。1832年:首款換向器直流電機(jī)的發(fā)明,1832年,英國物理學(xué)家威廉·斯特金(William Sturgeon)就發(fā)明了第一臺可以提供足夠動力來驅(qū)動機(jī)械的直流電機(jī),但是由于其低功率輸出,應(yīng)用上受到嚴(yán)重限制。1834年:制造了第一臺真正的電機(jī)跟隨Sturgeon的腳步,美國佛蒙特州的托馬斯·達(dá)文波特(Thomas Davenport)于1834年發(fā)明了第一臺正式的電池供電的電機(jī),從而創(chuàng)造了歷史。這是第一臺具有足夠功率執(zhí)行任務(wù)的電動馬達(dá),他的發(fā)明被用于為小型印刷機(jī)提供動力。1837年,托馬斯·達(dá)文波特和他的妻子艾米莉·達(dá)文波特(Emily Davenport)獲得了第一項直流電機(jī)專利。但他們的電機(jī)設(shè)計仍然與William Sturgeon的設(shè)計面臨相同的功率和效率問題的困擾。且不幸的是,由于涉及高昂的電池電力成本,Thomas破產(chǎn)了,該機(jī)器也無法在商業(yè)上使用。
1886年,第一臺可以在可變重量下恒速運(yùn)行的實用直流電機(jī)面世。弗蘭克·朱利安·斯普拉格(Frank Julian Sprague)是其發(fā)明者,正是這種電機(jī)為工業(yè)應(yīng)用中的電機(jī)的廣泛應(yīng)用提供了催化劑。值得一提的是,該實用性電機(jī)采用無刷形式,即交流式鼠籠式異步電機(jī),它不僅消除了火花、繞組兩端的電壓損失,可以以恒定速度輸送功率。但是,異步電機(jī)有許多無法克服的缺陷,以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。而在無刷電機(jī)誕生不久,人們就發(fā)明了直流有刷電機(jī)。直流有刷電機(jī)因機(jī)構(gòu)簡單,生產(chǎn)加工容易,維修方便,容易控制,一經(jīng)問世便成為了當(dāng)時的主流。
1887年,尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)發(fā)明了交流感應(yīng)電機(jī),并在一年后成功申請了專利。它不適用于公路車輛,但后來由西屋公司的工程師進(jìn)行了改裝。1892年,設(shè)計了第一臺實用的感應(yīng)電機(jī),接著是旋轉(zhuǎn)的條形繞組轉(zhuǎn)子,使該電機(jī)適用于汽車應(yīng)用。
1891年,通用電氣開始開發(fā)三相感應(yīng)電機(jī)。為了利用繞線轉(zhuǎn)子設(shè)計,GE和西屋公司于1896年簽署了交叉許可協(xié)議。
1955年,美國d.harrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利,正式標(biāo)志著現(xiàn)代直流無刷電機(jī)的誕生。但當(dāng)時沒有電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器件,該電機(jī)沒有起動能力。
得益于1960年代初期固態(tài)技術(shù)的進(jìn)步,1962年,TG Wilson和PH Trickey發(fā)明了第一臺無刷直流(BLDC)電機(jī),他們稱之為“帶固態(tài)換向的直流電機(jī)”。無刷電機(jī)的關(guān)鍵要素是它不需要物理換向器,因此成為計算機(jī)磁盤驅(qū)動器,機(jī)器人和飛機(jī)的最流行選擇。他們利用了霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子位置并控制繞組電流換相,使無刷直流電機(jī)達(dá)到實用化,但受到晶體管容量的限制,電機(jī)功率相對較小。
70年代以來,隨著新型功率半導(dǎo)體器件(如GTR、MOSFET、IGBT、IPM)相繼出現(xiàn),計算機(jī)控制技術(shù)(單片機(jī)、DSP、新的控制理論)的快速發(fā)展,以及高性能稀土永磁材料(如釤鈷、釹鐵硼)的問世,無刷直流電機(jī)得到快速發(fā)展,容量不斷增大。之后,隨著1978年mac經(jīng)典直流無刷電機(jī)及其驅(qū)動器的推出,以及80年代方波無刷電機(jī)和正弦波直流無刷電機(jī)的研發(fā),無刷電機(jī)真正開始進(jìn)入實用階段,并且得到快速發(fā)展。