​BLDC电机选型，这篇不可不读

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无刷直流电机(BLDC)因其寿命长、噪音低、扭矩大而被广泛应用于工业自动化、汽车、医疗设备、人工智能等行业。BLDC具有多种规格和类型，在实际应用中需要挑选出合适的无刷直流电机来满足应用产品的性能要求。
电机选型是工程师为给定应用选择电机的过程，这是一个系统级分析的过程，工程师将根据应用的目标和设计约束反复评估可用的电机选择。实质上，该过程遵循工程“设计螺旋”，以寻找到满足应用要求的电机。

典型的电机选型设计螺旋，来源：simplexity

以目标应用为导向，去选择BLDC电机时，主要需要考虑的方面包括：
电机类型
力矩要求
转速要求
功率要求
电机总成本
应用规模限制
…

01

选择合适的电机类型

从结构来看，无刷直流电动机可分为两种类型：内转子和外转子。从根本上说，它们的工作原理相同，但优点和局限性却不同。

内转子电机将定子（固定元件）放在外面，转子（旋转元件）放在里面，转子在定子的内部旋转。外转子电机则具有相反的设计：将定子置于内部，转子置于外部，外部转子绕着中心的定子旋转。

相对而言，内转子无刷电机直径小，转速更快，更适用于高速应用；而外转子无刷电机则有着更大的直径和更好的散热性，利于低速转矩的使用，适用于低速应用。

内转子和外转子BLDC电机的区别，制图：华秋商城

根据是否带有传感器，BLDC电机还分为带传感器的电机和无传感器的电机。
带传感器的电机使用嵌入式电机定子的霍尔传感器，霍尔传感器实质上是一个开关，其数字输出等同于感测到的磁场极性（即HI代表北，LO代表南）。而无传感器电机，即去掉了霍尔传感器的无刷直流电机。
选择带传感器的电机还是无传感器电机通常取决于成本。
无传感器电机因为除去了霍尔传感器，从而减少了在传感器硬件、布线以及制造上的成本，同时无传感器电机制造良率更高——接近100%，因此，越来越多的应用开始使用无传感器电机，比如风扇、冰箱压缩机、空调和园艺工具等低成本的变速电机应用。
但是，启动时需要高扭矩的应用，如电动自行车、电踏车等电动工具，则需要使用带传感器的电机。
此外，从材料方面来看，高效率、低价格、低温升的铁氧体BLDC电机优先考虑。只有在性能要求严格、体积小、环境温度高的情况下，才应考虑铝镍钴BLDC电机或稀土BLDC电机。
02

挑选电机的关键性能参数

无刷直流电机在选型时，参数是最重要的选型因素之一。其中，最主要的三个性能参数是扭矩、转速与功率。
▶扭矩：电机的负载能力
电机扭矩，又称电机力矩，简单来说，就是电机转动力量的大小，能体现出电机的负载能力——扭矩越大，电机所能承受的负载也就越大，电机性能也相对越好。
但在实际应用中，我们需要考虑的是应用所需要的最大扭矩，最大的扭矩可以通过将电机力矩、转动惯量和摩擦力相加得到。另外，还有一些额外的因素影响最大需求扭矩，如：气隙空气的阻力等，这就需要至少20%的扭矩余量。
除了最大需求扭矩，还得考虑电机的平方根扭矩（RMS）。可以近似的认为平方根扭矩为实际应用中需要的持续输出扭矩。它由很多因素决定：最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速以及运行时间。
▶转速：最快转到多少转/分钟
电机的转速与应用息息相关，比如电机转速将直接决定无人机的飞行速度。因此选择电机时，转速是不可缺少的一项考虑。
电机转速由KV值表示，KV——每伏转数，即RPM/V，它说明了电机每伏特将转动多少次。通过简单地将KV值乘以电池电压便能确定电机的最大速度（RPM）。

RPM=KV*V(电源电压)

根据公式，理论上无刷电机的转速和电压呈线性关系。KV值就是电压每增加一伏，电机的转速增加的量。如果电压升高，电动机确实会加速旋转。
一般电动自行车的转速是几百转，电动汽车会更高一些，达到几千转甚至上万转。如果是需要很低的输出转速，则需要考虑是否搭配减速箱，配什么种类的减速箱。
另外，有些应用工况下，我们还需要考虑转速的调节范围。比如，吹风机的转速需求是最高转速和平均转速相差不大，即要求电机的转速范围小；而在一些点对点定位系统如传送带和机械臂系统中则需要大转速范围的电机。
▶功率：最大需要多少瓦
电机功率，应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点：
♦如果电机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电机长期过载，出现电机发热、振动、转速下降、声音异常等现象，严重负载时甚至电机会被烧毁。
♦如果电机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。
因此，根据应用需要，选择一个功率合理的电机是非常重要的。我们可以通过电机功率，扭矩，转速这三个参数值的计算公式来合理选择电机。

功率（W）=转速（RPM）*扭矩（Nm）/9.55

举个例子，用户想选择一款120W的电机，怎么选呢？首先可以确认转速，然后再确认负载需要多大扭矩。如确认转速3000RPM、扭力只要0.3NM，按照上面公式算，W=RPM*NM/9.55=90。由此确认用户最大功率为90W，那选择100W的电机应该就可以了。但如果应用环境恶略或连续运行时间较长，那就可以选择125W，余量稍放大会更安全。

除以上三个主要参数外，根据应用需求，可能还需要考虑电机电压、电流、工作温度范围、防水等级、可靠性、灵活性等性能。
▶电压
直流电机的额定电压表示运行时最有效的电压。需要确保应用施加的电压与电机的额定电压是否合适，如果施加的电压过少，则电机将无法工作，而施加的电压过高则会使绕组短路，从而导致电机功率损耗或完全损坏。目前BLDC电机市场上有24V、36V、48V、60V等。
▶电流
电流是驱动电动机的动力，过多的电流会损坏电动机。对于直流电动机，工作电流和失速电流很重要。工作电流是电动机在典型转矩下预计消耗的平均电流。失速电流会施加足够的转矩，以使电动机以失速或0RPM的速度运行。
▶工作温度范围
一般来说，无刷电机的工作温度范围在-20至100度之间，更严格地在-40至140度之间。
▶防水等级
无刷电机的保护等级由IP加上数字表示，数字越大，防水等级就越高。
▶可靠性
电机领域内的可信赖意味着可靠和稳健耐用。你的电机控制器不会在故障中损坏，并且能够在故障情况消除时再次正常运转。
▶灵活性
设想下以下的情景：
你刚刚花了3小时才找到电机控制系统的最佳工作点，突然，你的产品经理告诉你，需要为系统设计另外一个完全不同的电机运行方式。你还得再花两小时为全新的电机寻找最佳工作点，也许你还得多花点儿时间，找到一个适用于两款电机的设置。同时，你还得祈祷产品经理不会扔给你第3个电机。
这在电机应用领域是很常见的情景，不但对于BLDC电机，对于其它类型的电机也是如此。一款可以用不同参数来旋转电机的高可靠性解决方案绝对是每个对旋转电机有深入了解的电气工程师的梦想。
03

明确应用设计约束

这是最后，却最为重要的一部分。——挑选电机的首要任务是明确应用需求及限制，方向对了，才能避免做无用功。
●明确应用目标
针对不同的应用，无刷直流电机会有不同的设计和驱动方式，让选型变得非常复杂，为了简化电机选型，我们需要根据电机用途，确定核心要求。

制图：华秋商城

●经济考虑
无刷电动机是使用寿命最长的电动机，但并不是全球成本最低的电动机。如果您的项目对价格非常敏感，那么仍然可以使用BLDC电机，但是使用有刷直流电机可能会节省金钱。
但长期来看，无刷电机控制器的使用寿命平均比标准DC电机长5倍。同时，无刷电机系统能在较长的使用寿命内保持稳定的性能，因此在整个项目生命周期中可能是最具成本效益的。
在做出决策时，必须考虑寿命，性能和成本之间的权衡，以及重要特征（例如可变负载下的恒定速度）所具有的重要性或价值。
●尺寸限制
在购买或使用电机之前，应先确定电机的尺寸。大多数情况下，制造商为电机使用4位数字的标准命名方案。例如，一个名为2205的电动机，其中前两位数字代表定子的直径（以毫米为单位），后两位数字代表高度（以毫米为单位）。
如果这两个数字中的任何一个较大，则电动机将处理更多的功率，从而产生更大的扭矩。如果权衡之下，数字依然很大，则称为较重/较大的电机。
以下是一些常用的电机尺寸，通过搭配对应的无人机，让大家更形象地了解这些尺寸的区别。
1806：常用于微型四轴无人机，与3英寸或4英寸螺旋桨一起摆动。
2204：2015年之前，这是一种相当流行的电机尺寸，但如今较为少见。它一般会搭配5英寸螺旋桨一起使用。
2205：当今最小且流行的电机尺寸。你必须用5英寸的三叶螺旋桨来使用它。
2206：大多数制造商希望获得更大的电机扭矩，2206满足了他们，它的扭矩增加了约15％，这利益于增大的尺寸以及N52弧形磁铁的使用。
2207、2407：这两种电机的尺寸很少见，与2206类型的电机相比，它们产生的推力高出50％以上！
总结
由于考虑的因素较多，BLDC选型是一个综合系统分析的过程，需要根据应用要求，平衡电机各方面的选择，最后得出最优解。
综合各大选型要点如下：

BLDC电机选型要点（点击放大），制图：华秋商城

希望本文能解答到一些大家对于BLDC选型的疑惑，帮助大家找到合适的BLDC电机。对于BLDC选型，如果你们有自己的经验与体会，欢迎留言分享。
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