01 無刷直流電機的概念
無刷直流電機（BLDC）即無電刷和換向器的電機，又稱無換向器電機或同步直流電機。BLDC輸入端為直流電，但本質上其實是通過循環切換逆變器主開關實現了交流電的效果，使線圈繞組產生變化的磁場，並讓電機轉子受連續的轉矩作用而持續轉動。
BLDC可以根據定子繞組的數量配置為單相、兩相和三相，我們平時接觸到的最多的是三相電機，上圖是一款三相無刷直流電機的拆解示意圖。
02 無刷直流電機的應用
據估計，2022年BLDC電機市場規模將達到197.6億美元左右，隨著BLDC電機技術趨於成熟，BLDC電機已經在軍事、航空、工業、汽車、民用控制系統，以及家電等領域都有了廣泛的應用。多見低壓小功率器件，比如小型機器人、無人機、電動自行車、吸塵器、電動工具等。
下面舉幾個熱門應用。
吸塵器/吹風機：提到吹風機或吸塵器，大家耳熟能詳的品牌就是戴森（Dyson）。戴森吹風機所宣傳的「跨時代黑科技」V9智能數字電機比傳統電機更小，更輕，轉速更快。
戴森數字馬達
不用碳刷，電機每分鐘轉數可達110000次，並且該電機比其他電機更小巧輕便。在戴森的數字電機採用的電機是「single-phase brushless DC motor」，本質上就是一款BLDC電機。
戴森數字馬達
無人機/雲台：
無人機電機控制的關鍵是轉速和方向控制，最熱門的無人機非大疆莫屬。下圖是無人機Spark的拆解圖，可見四個角端的BLDC電機。
大疆Spark系列無人機拆解圖
類似的應用還有雲台。
一款雲台用BLDC電機拆解圖
電動工具：
生活中常見的手持電動工具，例如博世的電動扳手、電鑽等。無刷直流電機的節能和高效率，再加上手持式的電動工具的成本也在持續下降，所以更多使用BLDC電機的電動工具發展迅速，最有名的國際大廠例如博世（Bosch）、德偉（Dewalt）、美沃奇（Milwaukee）等。
03 無刷直流電機的構成
簡單介紹下BLDC的組成結構。
定子：
BLDC電機的定子由鑄鋼疊片組成，繞組置於沿內部圓周軸向開鑿的槽中。定子與感應電機的定子十分相似，但繞組的分布方式不同。多數BLDC電機都有三個星型連接的定子繞組。這些繞組中的每一個都是由許多線圈相互連接組成的。在槽中放置一個或多個線圈，並使它們相互連接組成繞組。沿定子圓周分布這些繞組，以構成均勻分布的磁極。
轉子：BLDC電機採用永磁體做轉子，轉子中是沒有線圈的，而轉子的南磁極和北磁極是交替排列的。另外，隨著軟磁材料技術的提高和價格的下降，轉子的材料也更多地採用高性能的釹鐵硼稀土材料製作永磁轉子，其較高的磁能積和穩定的特性使BLDC電機擁有更好的機械特性和動態響應，更高的效率和轉速範圍。這裡引用Microchip對BLDC的一篇原理說明文件中的示意圖，下圖是轉子磁體橫截面的示意圖：
霍爾感測器：
BLDC電機的控制最重要的是轉子位置的識別，位置識別的方法有兩種，一種是用位置感測器來識別轉子的位置，即霍爾感測器；另一種則無位置感測器，是通過檢測反向電動勢來識別轉子的位置。
對於有感BLDC電機來說，多數BLDC電機會在定子中嵌入三個霍爾感測器。每次換向，都有一個繞組連到控制電源的正極（電流進入繞組），第二個繞組連到負極（電流從中流出），第三個處於失電狀態。轉矩是由定子線圈產生的磁場和永磁體之間的相互作用產生的。當轉子磁極經過霍爾感測器附近時，感測器就會發出高電平或低電平信號，表徵南/北磁極正在經過霍爾感測器所感知的區域。霍爾感測器輸出的信號之間相位偏移可以是60°或120°。
霍爾效應：霍爾效應在1879年被美國物理學家霍爾發現，當電流通過一個位於磁場中的導體的時候，導體中會產生一個與電流方向及磁場方向均垂直的電勢差。且電勢差的大小與磁感應強度的垂直分量及電流的大小成正比。
