我永遠不會忘記我的第一個涉及電機的項目。

我在小學時為一個科學項目建造了一個小型電梯。當然，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來上下提升紙板箱。(這是在我學習齒輪/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，我應該在演示之前更換電池。老師仍然給了我一個不錯的分數，因為有人目睹了電梯的工作并為我擔保。

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子。這些電機通常用于速度控制應用。

有司機還是沒有司機?

第一個區別來自他們的名字。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。它的設計和結構允許它在沒有驅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，因此需要一個驅動電路，該電路使用晶體管將電流引導至電機的不同繞組線圈。

設計與運營

電機按順序為其定子中的一組電磁鐵通電，以通過其永磁轉子產生旋轉。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計。

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

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。 電機內部裝有電刷形式的電極和換向器。 換向器隨轉子轉動，定子靜止不動。在此電機中，有兩個永磁體磁極 - 北極和南極。

當電源連接到固定刷時，一組特定的電磁鐵(線圈)在轉子中通電，吸引下一個磁極并排斥定子的電流極。一旦轉子旋轉到下一組電磁鐵，電刷就會機械地切換到轉子中的下一組電磁鐵。這個過程不斷重復，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，其永磁體位于轉子而不是定子上，這是我們制造的類型。這種設計的一個好處是，產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子、定子和霍爾效應 IC。 與有刷電機不同，無刷電機使用專用的驅動電路來監控電機的反饋，驅動器使用晶體管對定子磁極進行電激勵，從而使轉子旋轉。它們也被稱為無刷直流電機或 BLDC 電機。Oriental Motor 使用術語“無刷電機”，因為我們為這些電機提供交流或直流輸入驅動器。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 個轉子極(永磁體)。

霍爾效應 IC 在轉子旋轉時感應轉子中的永磁體，從模擬轉換為數字，然后將數據發送回驅動電路。然后，驅動器使用這些數據來確定相位激勵的正確時間。反饋還用于調節電機速度。

下圖顯示了驅動器的電源電路如何使用晶體管打開和關閉特定的繞組線圈。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，循環重復。

我們現在的大部分無刷電機都是10極電機。霍爾效應 IC 的輸出分辨率是霍爾效應 IC 的數量 x 轉子極數，因此 3 個 IC x 10 個極數 = 每轉 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別是需要反饋才能正常工作。來自其霍爾效應 IC 的反饋信號提供旋轉數據，并且對于相位激勵的正確計時是必要的。

高級無刷電機驅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，可用于張緊應用。盡管無刷電機的初始成本較高，但在選擇電機時應考慮其優點。

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，為了使電機旋轉得更快，驅動器的勵磁序列需要加速。

總結/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，我不知道如何構建驅動程序，而且我確實需要保持低成本。

下面總結一下有刷電機和無刷電機的區別。

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用。

刷子始終處于接觸狀態，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。

電刷換向產生的火花限制了有刷電機可以安全運行的環境。

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傳感器將速度調節到大約 +/-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