无刷直流电动机Vs有刷直流电动机:何时以及为什么选择一个而不是另一个

皮特·米勒特

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简介

许多运动控制应用都使用永磁直流电动机。188比分直播吧由于与交流电机相比，使用直流电机更容易实现控制系统，因此通常在需要控制速度、扭矩或位置时使用直流电机。

常用的直流电机有两种:有刷电机和无刷电机(或BLDC电机)。顾名思义，直流有刷电机有刷，这是用来换向电机，使其旋转。无刷电机用电子控制取代了机械换向功能。

在许多应用中，可188比分直播吧以使用有刷或无刷直流电动机。它们的功能基于线圈和永磁体之间的吸引和排斥的相同原理。两者都有优点和缺点，可能会导致您根据应用程序的需求选择其中一种。

直流有刷电机

直流有刷电机(图片由maxon集团）

直流电动机使用缠绕的线圈来产生磁场。在有刷电机中，这些线圈可以自由旋转以驱动轴-它们是电机的一部分，称为“转子”。通常线圈绕着铁芯，尽管也有“无芯”的刷电机，其中绕组是自行支撑的。

电机的固定部分称为“定子”。永磁体是用来提供固定磁场的。通常这些磁铁位于定子的内表面，转子的外面。

为了产生扭矩，使转子旋转，转子的磁场需要不断旋转，这样它的磁场就会吸引和排斥定子的固定磁场。为了使磁场旋转，使用了一个滑动的电气开关。该开关由换向器组成，换向器通常是安装在转子上的分段触点，以及安装在定子上的固定电刷。

当转子转动时，换向器不断地开关不同的转子绕组。这使得转子的线圈不断受到定子固定磁铁的吸引和排斥，从而使转子旋转。

由于电刷和换向器之间存在一些机械摩擦——而且由于它是电接触，通常不能润滑——在电机的使用寿命中，电刷和换向器会有机械磨损。这种磨损最终会达到电机不再工作的地步。许多有刷电机-特别是大型电机-具有可更换的电刷，通常由碳制成，其设计用于在磨损时保持良好的接触。这些马达需要定期维护。即使有可更换的电刷，最终换向器也会磨损到必须更换电机的地步。

为了驱动有刷电机，直流电压施加在电刷上，电流通过转子绕组使电机旋转。

在只需要在一个方向上旋转的情况下，速度或扭矩不需要控制，对于有刷电机不需要任何驱动电子设备。在这样188比分直播吧的应用中，直流电压只是简单地接通和切断，使电机运行或停止。这是典型的低成本应用，如电动玩具。188比分直播吧如果需要反转，可以使用双极开关来完成。

为了便于控制速度、扭矩和方向，使用由电子开关(晶体管、igbt或mosfet)组成的“h桥”来允许电机向任意方向驱动。这允许电压应用到电机在任何极性，这使得电机旋转在相反的方向。电机的速度或转矩可以通过脉冲宽度调制其中一个开关来控制。

无刷直流电机

无刷直流电动机(图片由maxon集团）

无刷直流电动机的工作原理与有刷电机的磁吸引和斥力相同，但它们的构造略有不同。而不是机械换向器和电刷，定子的磁场旋转使用电子换向。这就需要使用主动控制电子设备。

在无刷电机中，转子上有固定的永磁体，定子上有绕组。如上图所示，无刷电机可以将转子构造在内部，或将转子构造在绕组的外部(有时称为“outunner”电机)。

无刷电机中使用的绕组数称为相位数。虽然无刷电机可以用不同的相数来构造，但三相无刷电机是最常见的。一个例外是可能只使用一个或两个相的小型冷却风扇。

无刷电机的三个绕组以“星形”或“三角形”配置连接。在任何一种情况下，都有三根电线连接到电机，并且驱动技术和波形是相同的。

在三相的情况下，电机可以构造成不同的磁结构，称为磁极。最简单的三相电机有两个磁极:转子只有一对磁极，一个是北磁极，一个是南磁极。电机也可以制造更多的磁极，这就需要在转子中有更多的磁部分，在定子中有更多的绕组。更高的极数可以提供更高的性能，尽管非常高的速度更好地实现较低的极数。

要驱动三相无刷电机，三个相中的每一个都需要能够驱动到输入电源电压或地。为了实现这一点，使用了三个“半桥”驱动电路，每个电路由两个开关组成。开关可以是双极晶体管，igbt，或mosfet，这取决于所需的电压和电流。

有许多驱动技术，可用于三相无刷电机。最简单的被称为梯形，块，或120度换向。梯形换向有点类似于直流电刷电机中的换向方法。在这种方案中，在任何给定的时间，三相中的一个接地，一个开着，另一个被驱动到电源电压。如果需要速度或转矩控制，通常连接到电源的相位是脉宽调制的。由于在每个换向点相位突然切换，而转子旋转是恒定的，有一些变化的转矩(称为转矩脉动)作为电机旋转。

为了获得更高的性能，可以使用其他换向方法。正弦，或180度，换向驱动电流通过所有三个电机阶段所有的时间。驱动电子器件通过每一相产生正弦电流，每一相与另一相偏移120度。这种驱动技术最大限度地减少扭矩波动，以及噪音和振动，并经常用于高性能或高效率的驱动。

为了正确地旋转磁场，控制电子器件需要知道转子上磁体相对于定子的物理位置。通常，位置信息是通过安装在定子上的霍尔传感器获得的。当磁转子转动时，霍尔传感器捕捉到转子的磁场。这个信息被驱动电子元件用来使电流按顺序通过定子绕组，从而使转子旋转。

使用三个霍尔传感器，梯形换向可以通过简单的组合逻辑实现，因此不需要复杂的控制电子设备。其他换向方法，如正弦换向，需要更复杂的控制电子器件，通常使用微控制器。

除了使用霍尔传感器提供位置反馈外，还有各种方法可以在没有传感器的情况下确定转子位置。最简单的方法是监测未驱动相位上的反电动势，以感知相对于定子的磁场。一种更复杂的控制算法，称为磁场定向控制或FOC，根据转子电流和其他参数计算位置。FOC通常需要一个相当强大的处理器，因为有许多计算必须非常快速地执行。当然，这比简单的梯形控制方法要昂贵得多。

有刷电机和无刷电机:优点和缺点

根据您的应用程序，有理由您可能会选择使用无刷电机而不是有刷电机。下表总结了每种电机类型的主要优点和缺点:

	刷电机	无刷电机
一生	短(刷子磨损)	长(不用刷)
速度和加速度	媒介	高
效率	媒介	高
电噪音	噪声(衬套起弧)	安静的
声学噪声和转矩脉动	可怜的	中等(梯形)或良好(正弦)
成本	最低	中等(增加电子设备)

一生

如前所述，有刷电机的缺点之一是有机械磨损的电刷和换向器。碳刷尤其具有牺牲性，在许多电机中，作为维护计划的一部分，它们被设计为定期更换。换向器的软铜也被电刷慢慢磨损，最终达到电机不再运行的点。由于无刷电机没有移动触点，它们不会遭受这种磨损。

速度和加速度

有刷电机的转速可以由电刷和换向器以及转子的质量来限制。在非常高的速度，电刷到换向器接触可以变得不稳定，电刷电弧增加。大多数有刷电机也在转子中使用层压铁的核心，这使他们有很大的转动惯性。这限制了电机的加速和减速率。有可能制造一个转子上有非常强大的稀土磁铁的无刷电机，这将最大限度地减少旋转惯性。当然，这会增加成本。

电噪音

电刷和换向器构成一种电气开关。当电机转动时，开关被打开和关闭，而显著的电流通过转子绕组，这是感应。这会导致触点处产生电弧。这会产生大量的电噪声，这些噪声会耦合到敏感电路中。通过在电刷上增加电容器或RC缓冲器可以在一定程度上缓解电弧，但换向器的瞬时开关总是会产生一些电气噪声。

噪声

有刷电机是“硬开关”——也就是说，电流突然从一个绕组转移到另一个绕组。产生的扭矩随转子的旋转而变化，因为绕组被打开和关闭。使用无刷电机，可以控制绕组电流，使电流从一个绕组逐渐过渡到另一个绕组。这降低了转矩脉动，这是一个机械脉动的能量到转子。转矩脉动会引起振动和机械噪声，特别是在转子转速较低时。

成本

由于无刷电机需要更复杂的电子设备，因此无刷驱动器的总成本高于有刷电机。尽管无刷电机比有刷电机更容易制造，因为它没有电刷和换向器，有刷电机技术非常成熟，制造成本也很低。随着无刷电机越来越受欢迎，尤其是在汽车电机等大批量应用中，这种情况正在发生变化。188比分直播吧此外，微控制器等电子产品的成本持续下降，使得无刷电机更具吸引力。