直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。直流電機(jī)又可分為無(wú)刷直流電機(jī)與直流有刷電機(jī)，本文首先介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理及應(yīng)用，其次闡述了直流有刷電機(jī)的原理及應(yīng)用，最后介紹了無(wú)刷直流電機(jī)與直流有刷電機(jī)的區(qū)別，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下。

無(wú)刷直流電機(jī)

無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 無(wú)刷電機(jī)是指無(wú)電刷和換向器（或集電環(huán)）的電機(jī)，又稱(chēng)無(wú)換向器電機(jī)。早在十九紀(jì)誕生電機(jī)的時(shí)候，產(chǎn)生的實(shí)用性電機(jī)就是無(wú)刷形式，即交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，異步電動(dòng)機(jī)有許多無(wú)法克服的缺陷，以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。上世紀(jì)中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無(wú)刷電機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。這種新型無(wú)刷電機(jī)稱(chēng)為電子換向式直流電機(jī)，它克服了第一代無(wú)刷電機(jī)的缺陷。

無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱(chēng)星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。

直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機(jī)沒(méi)有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到。現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來(lái)越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，達(dá)到類(lèi)似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

此外已有很多微處理機(jī)將控制電機(jī)必需的功能做在芯片中，而且體積越來(lái)越小；像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，adc）、脈沖寬度調(diào)制（pulse wide modulator，pwm）…等。直流無(wú)刷電機(jī)即是以電子方式控制交流電機(jī)換相，得到類(lèi)似直流電機(jī)特性又沒(méi)有直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。

1、操作原理

每一次換向都會(huì)有一組繞組處于正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。轉(zhuǎn)子永磁體的磁場(chǎng)和定子鋼片產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，理論上，當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)夾角為90？時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)重合時(shí)轉(zhuǎn)矩變?yōu)?，為了使轉(zhuǎn)子不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，那么就需要按順序改變定子的磁場(chǎng)，就像轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)一直在追趕定子的磁場(chǎng)一樣。典型的“六步電流換向”順序圖展示了定子內(nèi)繞組的通電次序。

2、轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性

圖 2.5.1 轉(zhuǎn)矩和速度特性顯示了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性。BLDC一共有兩種轉(zhuǎn)矩度量：最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候表現(xiàn)出來(lái)的就是額定轉(zhuǎn)矩。在無(wú)刷電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，轉(zhuǎn)矩不變，無(wú)刷電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的150%，但是超速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)下降。

在實(shí)際的應(yīng)用中，我們常常會(huì)讓帶負(fù)載的電機(jī)啟動(dòng)、停轉(zhuǎn)和逆向運(yùn)行，此時(shí)就需要比額定轉(zhuǎn)矩更大的轉(zhuǎn)矩。特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止和反方向加速時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，這個(gè)時(shí)候就需要更大的轉(zhuǎn)矩來(lái)抵消負(fù)載和轉(zhuǎn)子自身的慣性，這個(gè)時(shí)候就需要提供最大的轉(zhuǎn)矩一直到電機(jī)進(jìn)入正向轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)階段。

圖2.5.1 轉(zhuǎn)矩和速度特性

無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用

無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，如汽車(chē)、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等等。總的來(lái)說(shuō)，無(wú)刷直流電機(jī)可以分為以下三種主要用途：

持續(xù)負(fù)載應(yīng)用：主要是需要一定轉(zhuǎn)速但是對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機(jī)、吹風(fēng)機(jī)等一類(lèi)的應(yīng)用，這類(lèi)應(yīng)用成本較低且多為開(kāi)環(huán)控制。

可變負(fù)載應(yīng)用：主要是轉(zhuǎn)速需要在某個(gè)范圍內(nèi)變化的應(yīng)用，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干機(jī)和壓縮機(jī)就是很好的例子，汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等，這類(lèi)應(yīng)用的系統(tǒng)成本相對(duì)更高些。

定位應(yīng)用：大多數(shù)工業(yè)控制和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用屬于這個(gè)類(lèi)別，這類(lèi)應(yīng)用中往往會(huì)完成能量的輸送，所以對(duì)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對(duì)控制器的要求也較高。測(cè)速時(shí)可能會(huì)用上光電和一些同步設(shè)備。過(guò)程控制、機(jī)械控制和運(yùn)輸控制等很多都屬于這類(lèi)應(yīng)用。

直流有刷電機(jī)簡(jiǎn)介

直流有刷電機(jī)是內(nèi)含電刷裝置的將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。區(qū)別于直流無(wú)刷電機(jī)，電刷裝置是用來(lái)引入或引出直流電壓和直流電流的。直流有刷電機(jī)是所有電機(jī)的基礎(chǔ)，它具有啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

直流有刷電機(jī)原理

定子產(chǎn)生靜止磁場(chǎng)。這一靜止磁場(chǎng)圍繞在電樞（或稱(chēng)轉(zhuǎn)子）的周?chē)Ｍ饧?a target="_blank">電源激發(fā)出電樞磁場(chǎng)。直流有刷電機(jī)電機(jī)軸上還有兩個(gè)圓弧形的銅片，稱(chēng)為換向片。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碳質(zhì)的電刷在換向器上滑動(dòng)。這樣就可以產(chǎn)生一個(gè)與定子的靜止磁場(chǎng)相吸引的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電樞和定子繞組中的電流由電池或其它直流電源供給（永磁直流有刷電機(jī)電機(jī)沒(méi)有定子繞組）。電池（或直流電源）提供恒定的直流電壓。電壓幅度決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此是電池或直流電源是一個(gè)線(xiàn)性激勵(lì)源。改變直流有刷電機(jī)電機(jī)速度的最有效方式是采用脈寬調(diào)制（pwm）技術(shù)。pwm技術(shù)是以固定的頻率開(kāi)關(guān)恒壓源。改變pwm信號(hào)的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。脈沖高低電平間的比例稱(chēng)為pwm信號(hào)的占空比。直流電池電平的幅度等于pwm信號(hào)的平均幅度

直流有刷電機(jī)應(yīng)用

直流有刷電機(jī)具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，常應(yīng)用于對(duì)啟動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場(chǎng)合，如大型可逆式軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、賓館高速電梯、龍門(mén)刨床、電力機(jī)車(chē)、內(nèi)燃機(jī)車(chē)、城市電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、造紙和印刷機(jī)械、船舶機(jī)械、大型精密機(jī)床和大型起重機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械中。

無(wú)刷直流電機(jī)與直流有刷電機(jī)的區(qū)別

直流有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)的主要區(qū)別是：是否配置有常用的電刷-換向器。

有刷直流電機(jī)的換向一直是通過(guò)石墨電刷與安裝在轉(zhuǎn)子上的環(huán)形換向器相接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而直流無(wú)刷電機(jī)則通過(guò)霍爾傳感器把轉(zhuǎn)子位置反饋回控制電路，使其能夠獲知電機(jī)相位換向的準(zhǔn)確時(shí)間。大多數(shù)無(wú)刷電機(jī)生產(chǎn)商生產(chǎn)的電機(jī)都具有三個(gè)霍爾效應(yīng)定位傳感器。由于無(wú)刷電機(jī)沒(méi)有電刷，故也沒(méi)有相關(guān)接口，因此更干凈，噪聲更小，事實(shí)上無(wú)需維護(hù)，壽命更長(zhǎng)。

其次，直流無(wú)刷是基于交流調(diào)速原理基礎(chǔ)上制造出來(lái)的，性能方面既有直流電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定調(diào)速方便，又有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單沒(méi)有易損件（沒(méi)有直流電機(jī)的碳刷）

第三，價(jià)格方面。因?yàn)樾枰獙?zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)故價(jià)格要比普通直流電機(jī)高3~4倍左右。

第四，技術(shù)層面。因?yàn)橹绷鳠o(wú)刷電機(jī)大部分都自帶驅(qū)動(dòng)電路（可以調(diào)速，當(dāng)然也有恒速的）所以驅(qū)動(dòng)起來(lái)只要給它接上額定電壓后，輸入調(diào)速PWM信號(hào)就可以了。這點(diǎn)無(wú)需再添加專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路。另外，直流無(wú)刷電機(jī)因?yàn)橛谢魻栐龇答佀赞D(zhuǎn)速幾乎是穩(wěn)定恒速的。

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