供给电力（电压、电流）后能够进行机械运动的装置就是电机。电机的种类繁多，而 “BLDC 电机” 凭借其高效率和良好的操作性，在众多领域得到了广泛应用，并且因其低耗电量的特点备受期待。
当工程师们想要利用电气、电子机器在现实世界中实现某些功能时，他们会思考如何将电信号转化为 “力”。而能够将电信号转换为力的装置就是传动器，也就是电机。我们可以将电机看作是 “将电气转换为机械力的元件”。
基本的电机是 “DC 电机（有刷电机）”。在磁场中放置，当有电流通过时，线圈会受到一侧磁极的排斥和另一侧磁极的吸引，从而开始旋转。在旋转过程中，通过改变通向线圈的电流方向，可使其持续旋转。电机中有一个名为 “换向器” 的部分，它依靠 “电刷” 供电，“电刷” 位于 “转向器” 上方，会随着电机的旋转不断移动。通过改变电刷的位置，能够使电流方向发生变化。换向器和电刷是 DC 电机旋转不可或缺的结构（图一）。
我们按照电源种类和转动原理对电机进行了分类（图 2）。下面让我们简单了解一下各类电机的特点和用途。
构造简单且易于操控的 DC 电机（有刷电机），通常被应用在家电产品的 “光盘托盘的开闭” 等方面，或者用于汽车的 “电动后视镜的开闭、方向控制” 等用途。尽管它价格低廉且应用广泛，但也存在一定缺陷。由于换向器会与电刷接触，其使用寿命较短，需要定期更换电刷或进行保修。
步进电机能够根据接收到的电脉冲数进行旋转，其运动量取决于电脉冲数，因此适用于位置调整。在家庭中，它常被用于 “传真机和打印机的送纸” 等场景。由于传真机的送纸步骤取决于规格（刻纹、细致度），所以随着电脉冲数旋转的步进电机使用起来非常方便，并且能够轻松解决信号一旦停止机器就会暂时停止的问题。
旋转数随电源频率变化的同步电机，被用于 “微波炉的旋转桌” 等用途。电机组中配备有齿轮减速器，可以获得适合加热食品的旋转数。感应电机也受电源频率的影响，但频率和旋转数并不一致。以前，这类 AC 电机常用于风扇或洗衣机。
由此可见，各种类型的电机在多个领域都发挥着重要作用。那么，BLDC 电机（无刷电机）具有哪些特点，使其应用如此广泛呢？
BLDC 电机中的 “BL” 代表 “无刷”，即 DC 电机（有刷电机）中的 “电刷” 被取消了。在 DC 电机（有刷电机）中，电刷的作用是通过换向器向转子里的线圈通电。那么，没有电刷的 BLDC 电机是如何向转子里的线圈通电的呢？原来，BLDC 电机采用永磁体作为转子，转子中没有线圈，因此不需要用于通电的换向器和电刷，取而代之的是作为定子的线圈（图 3）。
在 DC 电机（有刷电机）中，由固定的永磁体产生的磁场是静止的，通过控制线圈（转子）在其内部产生的磁场来实现旋转，并且通过改变电压来改变旋转数。而 BLDC 电机的转子是永磁体，通过改变周围线圈所产生的磁场方向使转子旋转，通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。
BLDC 电机的定子上有三个线圈，每个线圈有两根电线，电机中共有六根引出线。实际上，由于内部接线的原因，通常只需要三根线，但这仍然比 DC 电机（有刷电机）多出一根。仅仅连接电池的正负极，BLDC 电机是无法转动的。关于如何运行 BLDC 电机，将在本系列的第二回中进行详细说明。此次，我们主要关注 BLDC 电机的优点。
BLDC 电机的个特点是 “高效率”。它可以控制回旋力（扭矩）始终保持值。而 DC 电机（有刷电机）在旋转过程中，扭矩只能在瞬间保持，无法始终维持值。如果 DC 电机（有刷电机）想要获得与 BLDC 电机相同的扭矩，就需要加大磁铁的尺寸。这就是为什么小型 BLDC 电机也能产生强大力量的原因。
第二个特点是 “良好的控制性”，这与个特点相关。BLDC 电机能够地实现用户所需的扭矩、旋转数等。它可以地反馈目标旋转数、扭矩等信息。通过的控制，可以抑制电机的发热和电力消耗。如果采用电池驱动，还能通过周密的控制延长驱动时间。
此外，BLDC 电机还具有耐用、电气噪音小等特点。这些优点得益于其无电刷的设计。而 DC 电机（有刷电机）由于电刷和换向器之间的接触，长时间使用会产生磨损，接触部分还会产生火花。特别是当换向器的缝隙碰到电刷时，会出现巨大的火花和噪音。如果不希望在使用过程中产生噪音，BLDC 电机是一个不错的选择。
高效率、多样操控、寿命长的 BLDC 电机通常被应用于能够发挥其高效率和寿命长特点的连续使用产品中。例如，在家电领域，人们很早就开始在洗衣机和空调中使用 BLDC 电机。近，电风扇也开始采用 BLDC 电机，并成功大幅降低了电力消耗，这正是其高效率的体现。
吸尘机中也采用了 BLDC 电机。在某个中，通过变更控制系统，实现了旋转数的大幅上升，这体现了 BLDC 电机良好的控制性。
作为重要存储介质的硬盘，其旋转部分也采用了 BLDC 电机。由于硬盘需要长时间运转，因此电机的耐用性非常重要。同时，BLDC 电机还能有效抑制电力消耗，这与它的高效率密切相关。
内转子型 BLDC 电机是典型的 BLDC 电机之一，其外观与内部构造如下所示（图 1）。带刷 DC 电机（以下称为 DC 电机）的转子上有线圈，外侧放置有永磁体。而 BLDC 电机的转子上是永磁体，外侧是线圈。由于 BLDC 电机的转子没有线圈，因此无需在转子上通电，实现了不带通电用的电刷的 “无刷型”。
然而，与 DC 电机相比，BLDC 电机的控制变得更加困难。它并不是简单地将电机上的连接到电源即可，而且电缆的数目也不同。与 “将正极（+）和负极（-）连接到电源” 的方式不同。
为了使 BLDC 电机转动，必须控制线圈的电流方向和时机。
图 2 - A 是将 BLDC 电机的定子（线圈）和转子（永磁体）进行模式化的结果。我们使用该图片来思考一下转子旋转的情况。假设使用 3 个线圈，虽然实际上也有使用 6 个或更多线圈的情况，但从原理上考虑，每隔 120 度放置一个线圈，使用 3 个线圈。电机将电气（电压、电流）转换为机械性旋转。那么，图 2 - A 中的 BLDC 电机是如何转动的呢？让我们先来看看电机内部发生了什么。
如图 2 - A 所示，BLDC 电机使用 3 个线圈。这三个线圈在通电后会生成磁通量，分别将其命名为 U、V、W。我们来给这些线圈通电试试看。线圈 U（以下简称为 “线圈”）上的电流路径记为 U 相，V 的记录为 V 相，W 的记录为 W 相。接下来，我们看一下 U 相。向 U 相通电后，将产生如图 2 - B 所示箭头方向的磁通量。但实际上，U、V、W 的电缆是相互连接的，因此无法仅向 U 相通电。在这里，从 U 相向 W 相通电，会如图 2 - C 所示在 U、W 产生磁通量。合成 U 和 W 的两个磁通量，会得到如图 2 - D 所示的较大磁通量。永磁体将进行旋转，以使该合成磁通量与中央的永磁体（转子）的 N 极方向相同。
如果改变合成磁通量的方向，永磁体也会随之改变。配合永磁体的位置，切换 U 相、V 相、W 相中通电的相，以变更合成磁通量的方向。连续执行此操作，合成磁通量将发生旋转，从而产生磁场，使转子旋转。
图 3 所示的是通电相与合成磁通量的关系。在该例中，按顺序从 1 - 6 变更通电模式，合成磁通量将顺时针旋转。通过变更合成磁通量的方向来控制速度，进而控制转子的旋转速度。将切换这 6 种通电模式来控制电机的方法称为 “120 度通电控制”。
在 120 度通电控制下，合成磁通量的方向虽然会发生旋转，但其方向只有 6 种。例如，将图 3 的 “通电模式 1” 改为 “通电模式 2”，合成磁通量的方向将变化 60 度，然后转子将像被吸引一样发生旋转。接着，从 “通电模式 2” 改为 “通电模式 3”，合成磁通量的方向将再次变化 60 度，转子将再次被该变化所吸引。这一过程会反复出现，动作会显得生硬，有时还会发出噪音。
而 “正弦波控制” 能够消除 120 度通电控制的缺点，实现流畅的转动。在 120 度通电控制中，合成磁通量被固定在 6 个方向。而正弦波控制则通过控制，使其进行连续变化。在图 2 - C 的例子中，U 和 W 生成的磁通量大小相同。但是，如果能够更好地控制 U 相、V 相、W 相，就可以让线圈各自生成大小不同的磁通量，从而地控制合成磁通量的方向。通过调整 U 相、V 相、W 相各相的电流大小，同时生成合成磁通量。通过控制这一磁通量的连续生成，可使电机流畅地转动。
那么，U、V、W 各相上的电流是如何控制的呢？为了便于理解，我们回想一下 120 度通电控制的情况。请再次查看图 3。在通电模式 1 时，电流从 U 流至 W；在通电模式 2 时，电流从 U 流至 V。可以看出，每当有电流流动的线圈组合发生改变时，合成磁通量箭头的方向也会发生变化。
接下来，看一下通电模式 4。在该模式下，电流从 W 流至 U，与通电模式 1 的方向相反。在 DC 电机中，这样的电流方向转换是由换向器和刷子的组合来完成的。但是，BLDC 电机不使用这种接触型的方法，而是使用逆变器电路来更改电流的方向。在控制 BLDC 电机时，一般会使用逆变器电路。
此外，逆变器电路还可以改变各相中的外加电压，调整电流值。在电压调整中，常用的是 PWM（Pulse Width Modulation = 脉冲宽度调制）。PWM 是一种通过调整脉冲 ON/OFF 的时间长度来改变电压的方法，重要的是 ON 时间和 OFF 时间的比率（占空比）变化。如果 ON 的比率较高，可以得到与提高电压相同的效果；如果 ON 的比率下降，则可以得到与电压降低相同的效果（图 5）。
为了实现 PWM，现在有配备了专用硬件的微电脑。进行正弦波控制时需要控制 3 相的电压，因此与只有 2 相通电的 120 度通电控制相比，软件要稍微复杂一些。逆变器是驱动 BLDC 电机必不可少的电路。交流电机中也使用了逆变器，但可以认为家电产品中所说的 “逆变器式” 几乎都使用的是 BLDC 电机。
以上是 BLDC 电机控制的概况。BLDC 电机通过改变线圈生成的合成磁通量的方向，使转子的永磁体随之变化。
实际上，在上述说明中，还有一点没有提到，即 BLDC 电机中的传感器。BLDC 电机的控制是根据转子（永磁体）的位置（角度）进行的，因此获取转子位置的传感器是必需的。如果没有传感器来得知永磁体的方向，转子可能会转到意料之外的方向。有传感器提供信息，就可以避免这种情况的发生。
表 1 中显示的是 BLDC 电机主要的位置检测用传感器的种类。根据控制方式的不同，所需的传感器也不同。在 120 度通电控制中，为了判断要对哪个相通电，配备了可每 60 度输入信号的霍尔效应传感器。而对于精密控制合成磁通量的 “矢量控制”（在下一项中说明），转角传感器或光电编码器等高精度传感器更为有效。
通过使用这些传感器可以检测出位置，但也会带来一些缺点。传感器的防尘能力较弱，需要进行维护。可使用的温度范围也会缩小。使用传感器或为此增加配线都会导致成本上升，而且高精度传感器本身价格昂贵。于是，“无传感器” 方式应运而生。它不使用位置检测用传感器，从而控制成本，并且不需要与传感器相关的维护。但此次为了说明原理，我们假定已经从位置传感器获得了信息。
| 位置检测专用传感器的种类 | 特征 |
|---|
| 霍尔效应传感器 | 可每 60 度输入信号，用于 120 度通电控制判断通电相 |
| 转角传感器、光电编码器等 | 高精度传感器，适用于矢量控制 |
正弦波控制采用 3 相通电，能够流畅地改变合成磁通量的方向，因此转子将流畅地旋转。120 度通电控制通过切换 U 相、V 相、W 相中的 2 相来使电机转动，而正弦波控制则需要地控制 3 相的电流。而且控制的值是时刻变化的交流值，因此控制变得更加困难。
在这里，矢量控制登场了。矢量控制可以通过坐标变换，将 3 相的交流值作为 2 相的直流值进行计算，从而简化控制。但是，矢量控制计算需要高分辨率下的转子位置信息。位置检测有两种方法，一种是使用光电编码器或转角传感器等位置传感器的方法，另一种是根据各相的电流值进行推算的无传感器方法。通过该坐标变换，可以直接控制与扭矩（旋转力）相关的电流值，从而实现没有多余电流的高效控制。
然而，矢量控制中需要进行使用三角函数的坐标变换和复杂的计算处理。因此，在大多数情况下，会使用计算能力较强的微电脑作为控制用微电脑，比如配备了 FPU（浮点运算器）的微电脑等。
关键词：BLDC 电机
