我永遠不會忘記我的第一個涉及電機的項目。

我在小學(xué)時為一個科學(xué)項目建造了一個小型電梯。當(dāng)然，它在測試階段工作得很好，但在計算時卻失敗了。我用木頭建造了電梯井架，并使用了帶繩索的滑輪系統(tǒng)來上下提升紙板箱。(這是在我學(xué)習(xí)齒輪/滑輪比之前，所以我的電梯更像是一個彈射座椅而不是電梯。)

對于運動控制，我在我的項目中使用了電池、開關(guān)和直流電機。長話短說 - 因為我太專注于測試，我的電池實際上在演示之前就沒電了。事后看來，我應(yīng)該在演示之前更換電池。老師仍然給了我一個不錯的分?jǐn)?shù)，因為有人目睹了電梯的工作并為我擔(dān)保。

那是我第一次接觸直流電機。你能猜出我用的是哪種直流電機嗎?

直流電機的類型

有兩種類型的直流電機 - 有刷和無刷。它們都是直流永磁電機，因為它們都使用分段式永磁轉(zhuǎn)子。這些電機通常用于速度控制應(yīng)用。

有司機還是沒有司機?

第一個區(qū)別來自他們的名字。一個使用刷子，一個不使用。有刷直流電機也稱為自換向直流電機。它的設(shè)計和結(jié)構(gòu)允許它在沒有驅(qū)動電路的情況下運行，我將在后面介紹。無刷直流電機不能自換向，因此需要一個驅(qū)動電路，該電路使用晶體管將電流引導(dǎo)至電機的不同繞組線圈。

設(shè)計與運營

電機按順序為其定子中的一組電磁鐵通電，以通過其永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。定子上的北極會吸引電機上的南極。這是所有永磁直流電機的運行原理。他們這樣做的方式是不同的。

要理解為什么這些電機會像它們那樣運行，我們需要了解它的設(shè)計。

以下是有刷電機和無刷電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在下圖中，我們展示了一個在定子而不是轉(zhuǎn)子中使用永磁體的有刷電機。有時，永磁體可能位于轉(zhuǎn)子中，具體取決于制造商。通過在轉(zhuǎn)子中設(shè)置繞組線圈，熱量不會像在定子中設(shè)置繞組線圈那樣散發(fā)熱量。

左上圖顯示換向器和電刷。右下角的圖像從前視圖顯示了相同的電機。 電機內(nèi)部裝有電刷形式的電極和換向器。 換向器隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，定子靜止不動。在此電機中，有兩個永磁體磁極 - 北極和南極。

當(dāng)電源連接到固定刷時，一組特定的電磁鐵(線圈)在轉(zhuǎn)子中通電，吸引下一個磁極并排斥定子的電流極。一旦轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到下一組電磁鐵，電刷就會機械地切換到轉(zhuǎn)子中的下一組電磁鐵。這個過程不斷重復(fù)，直到電源斷開。 可以通過切換電源的極性來改變電機的方向。

下圖顯示了一個無刷電機，其永磁體位于轉(zhuǎn)子而不是定子上，這是我們制造的類型。這種設(shè)計的一個好處是，產(chǎn)生最多熱量的定子繞組線圈可以比線圈位于中心的電機更快地散熱。

左上圖顯示了電機背面的轉(zhuǎn)子、定子和霍爾效應(yīng) IC。 與有刷電機不同，無刷電機使用專用的驅(qū)動電路來監(jiān)控電機的反饋，驅(qū)動器使用晶體管對定子磁極進行電激勵，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。它們也被稱為無刷直流電機或 BLDC 電機。Oriental Motor 使用術(shù)語“無刷電機”，因為我們?yōu)檫@些電機提供交流或直流輸入驅(qū)動器。右下角的圖像顯示了電機的正面。該電機有 6 個定子極(電磁鐵)和 4 個轉(zhuǎn)子極(永磁體)。

霍爾效應(yīng) IC 在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時感應(yīng)轉(zhuǎn)子中的永磁體，從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送回驅(qū)動電路。然后，驅(qū)動器使用這些數(shù)據(jù)來確定相位激勵的正確時間。反饋還用于調(diào)節(jié)電機速度。

下圖顯示了驅(qū)動器的電源電路如何使用晶體管打開和關(guān)閉特定的繞組線圈。我們正在展示電機中帶有 U、V 和 W 繞組的 12 步晶體管勵磁序列。12 個步驟后，循環(huán)重復(fù)。

我們現(xiàn)在的大部分無刷電機都是10極電機。霍爾效應(yīng) IC 的輸出分辨率是霍爾效應(yīng) IC 的數(shù)量 x 轉(zhuǎn)子極數(shù)，因此 3 個 IC x 10 個極數(shù) = 每轉(zhuǎn) 30 個脈沖。一些無刷電機，例如 BXII 系列，為需要更高分辨率的應(yīng)用提供編碼器。

反饋

有刷電機和無刷電機之間的另一個明顯區(qū)別是需要反饋才能正常工作。來自其霍爾效應(yīng) IC 的反饋信號提供旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，并且對于相位激勵的正確計時是必要的。

高級無刷電機驅(qū)動器可能會提供一些簡單的有刷電機控制器所不具備的獨特功能，例如存儲的速度配置文件和 RS-485 通信。無刷電機中的反饋和電流傳感器可以提供扭矩限制功能，可用于張緊應(yīng)用。盡管無刷電機的初始成本較高，但在選擇電機時應(yīng)考慮其優(yōu)點。

速度控制性能

有刷和無刷電機都具有相似的性能。它們的速度轉(zhuǎn)矩曲線如下圖所示。對于有刷電機，可以通過改變電機的輸入電壓來控制速度和扭矩。但是，增加電壓有時會過度增加熱量并降低電機的占空比。

無刷電機驅(qū)動器限制其速度扭矩曲線以獲得最佳性能，因此您每次都可以期待同樣出色的性能。對于無刷電機，為了使電機旋轉(zhuǎn)得更快，驅(qū)動器的勵磁序列需要加速。

總結(jié)/比較

你一定猜到我在電梯項目中使用了有刷電機。

雖然無刷電機要好得多，但有刷電機可以完成我簡單的一次性項目。另外，我不知道如何構(gòu)建驅(qū)動程序，而且我確實需要保持低成本。

下面總結(jié)一下有刷電機和無刷電機的區(qū)別。

雖然有刷電機操作簡單且成本較低，但它們通常用于對長期使用壽命或維護不是主要問題的應(yīng)用。

刷子始終處于接觸狀態(tài)，因此摩擦最終會使它們磨損，因此需要定期更換。這可能會要求對設(shè)計進行不必要的更改，因為需要訪問電機進行維護。

無刷電機內(nèi)部唯一接觸的部件是滾珠軸承，因此不需要定期維護。

無刷電機也比有刷直流電機更安靜，使用壽命更長。 電刷換向也是電氣和音頻噪聲的主要來源，會影響其他電子信號或需要降噪措施。

電刷換向產(chǎn)生的火花限制了有刷電機可以安全運行的環(huán)境。

由于無刷電機提供更高的功率效率，這些電機可以由于高扭矩重量比和更高的每瓦扭矩而更加緊湊。

最后，無刷電機中的霍爾效應(yīng)傳感器將速度調(diào)節(jié)到大約 +/-0.2%。對于編碼器，這會降低到 +/0.05%。

無刷電機比有刷電機更受歡迎。雖然有刷電機仍然普遍用于家用電器和汽車，但無刷電機的用途更為廣泛，適用于從傳送帶到 AGV 的廣泛應(yīng)用。

想了解更多?在本白皮書中將無刷和有刷電機與交流電機進行比較。

審核編輯：湯梓紅