什么是直流电机？
直流电机是一种将直流电能转换为机械运动的电机。有各种各样的电机适用于不同的应用和功率要求，从用于医疗设备的直径仅几毫米的微型设备，到产生数千马力的定制设计。
有刷电机与无刷电机
两种最常见的直流 电机 称为有刷直流电机和 无刷直流电机 (BLDC)。尽管其基本物理原理相同，但它们的构造、性能特征和控制方式却大不相同。
哪一个最适合您的应用？嗯，就像生活中的许多事情一样，答案是“视情况而定”。有刷电机和无刷电机各有优缺点。在本文中，我们将研究这两种直流电机技术，并对这个复杂的话题进行一些阐述。
有刷电机的工作原理
有刷直流电机最早发明于 19 世纪，是最简单的电机类型之一。它们是第一种被广泛使用的类型，因为它们可以通过早期的直流照明配电系统供电。
图 1：有刷直流电机。（来源：Oriental Motor）
如图 图 1所示，典型的有刷直流电机由旋转电枢和固定定子组成。
电枢（也称为转子）包含一个或多个绕组，绕组由绝缘导线缠绕在软铁芯上。绕组形成了一个或多个线圈，与换向器连接，换向器是由多个金属接触段围绕电枢轴形成的圆柱。定子围绕着马达并包含永磁体或电磁铁来产生磁场。电刷是由碳等软材料制成的电触点，当轴旋转时，电刷采用弹簧加载，与换向器的各个部分接触。
直流电机中电刷的作用
当直流电源连接到电刷时，电枢线圈通电，将其变成电磁铁并使其旋转，使其北极和南极分别与定子的南极和北极对齐。在换向器旋转时，运动导致流入电枢线圈的电流的极性—及其磁场的方向—反向。电枢朝着新的方向旋转，电流再次反转，电枢继续旋转。
这种反转电流的方式称为机械换向——轴的机械旋转提供了切换电流极性所需的反馈。
通过改变绕组的排列，已经开发出几种具有不同性能特征的有刷直流电机；有五种基本类型。前四种类型在定子和转子（电枢）中都使用线圈，因此专门使用电磁铁。
有刷直流电机的类型及其用途
分绕组有刷直流电机的转子和定子磁场线圈并联；无论负载如何，它都以恒定的速度运行。这种自调节特性使其广泛应用于工业恒速应用。
串联绕线式有刷直流电机的两个线圈串联在一起；其速度随负载变化，负载越小，速度越快，但启动扭矩非常大，因此广泛应用于汽车启动器等短时应用。
复合绕组有刷直流电机是分流绕组电机和串联绕组电机的组合，具有两者的特点。当遇到严酷的启动条件并且需要恒定速度时，通常使用复绕电机。
单独励磁的有刷直流电机的转子和定子电源是分开的，因此定子磁场电流大，而电枢电压足以产生所需的转子转矩电流。这种电机适用于需要低速高扭矩的场合。
永磁刷直流电机的定子中含有永磁体，因此无需外部励磁电流。与其他类型的有刷直流电机相比，这种设计更小、更轻、更节能；它被广泛应用于 2 HP 以下的低功率应用中。
如何控制有刷直流电机的速度
通过机械换向，控制有刷直流电机在概念上非常简单。恒速电机只需要直流电压和 开/关开关；改变电压可以在很大范围内改变速度。
对于需要更复杂控制的应用，可采用常见的电路拓扑结构，如图 2 所示的 H 桥。通过同时打开 晶体管 Q1 和 Q4，或同时打开晶体管 Q3 和 Q2，流过 BDC 电机的电流将朝一个方向或另一个方向流动，从而实现双向运动。
对于速度控制， 脉冲宽度调制 (PWM) 信号用于产生平均电压。马达绕组作为一个低通滤波器，因此高频 PWM 波形将在马达绕组中产生稳定的电流。为了更精确地调节速度，可以添加速度传感器，例如 霍尔效应传感器 或 光学编码器 ，以形成闭环控制系统。
有刷直流电机基础知识
与无刷电机相比，有刷电机价格低廉、性能可靠，且具有较高的扭矩惯性比。由于它们几乎不需要外部元件，因此也适合在恶劣条件下运行。
缺点是，刷子会随着时间的推移而磨损并产生灰尘；刷式电机需要定期维护以清洁或更换刷子。其他缺点包括由于转子的限制导致散热不良、转子惯性大、最高转速低以及电刷电弧产生的电磁干扰 (EMI)。
无刷电机的工作原理
无刷直流 (BLDC) 电机的基本运行原理与有刷直流电机相同，即使用内部轴位置反馈进行换向控制，但其结构却非常不同。
与有刷直流电机不同，永磁体安装在 BLDC 转子上；定子由开槽层压钢制成，包含线圈绕组。
BLDC 也不使用碳刷或机械换向器。迫使转子旋转是通过给定子周围的线圈连续通电来实现的，换向是通过与转子位置传感器（如光电晶体管-LED、电磁或霍尔效应传感器）结合使用的复杂电子控制器来实现的。
BLDC 构造方法使其定子线圈具有更小的内部电阻和更好的散热性。由于线圈的热量可以通过更大的固定式电机外壳更有效地散发，因此运行效率更高。
定子绕组可按星形（或 Y 形）或三角形排列。钢叠片可以是开槽或无槽的。无槽马达具有更低的电感，因此能以更高的速度运行并在低速时出现较少的纹波。无槽定子的主要缺点是成本较高，因为它需要更多的绕组来补偿更大的气隙。
转子的极数可能因应用而异。增加电极数量可增加扭矩，但会降低最高速度。用于构造永磁体的材料也会对最大扭矩产生影响，最大扭矩会随着磁通密度的增加而增加。
图 3：无刷直流电机 (BLDC)。（来源：Oriental Motor）
了解更多什么是无刷直流电机及其工作原理。
无刷直流电机控制
由于换向必须以电子方式进行， BLDC 控制 比上面讨论的简单方案要复杂得多，并且同时使用模拟和数字控制方法。基本控制块与有刷直流电机方法类似，但必须采用闭环控制。
参阅相关产品
BLDC 电机控制主要采用三种控制算法：梯形换向、正弦换向和矢量（或磁场定向）控制。根据软件编码和硬件设计的不同，每种控制算法都可以以不同的方式实现，而且每种算法都具有明显的优缺点。
图 4：无刷直流电机控制方法。
梯形换向需要最简单的控制电路和软件，使其成为低端应用的理想选择。它利用六步流程，使用定子位置反馈。梯形换向可以有效控制电机的速度和功率，但在换向过程中会出现扭矩波动，尤其是在低速时。
无传感器换向——通过测量电机的反电动势来估计转子位置——提供与霍尔效应方法类似的性能，但代价是增加了算法的复杂性。通过消除霍尔效应传感器及其接口电路，无传感器换向降低了组件和安装成本并简化了系统设计。
正弦换向采用载波频率调制来驱动电机，同时控制三个绕组电流，使它们在电机转动时平滑地呈正弦变化。这项技术不会产生梯形方法中的扭矩纹波和换向尖峰，提供了平滑精确的马达控制。它可以作为开环系统来使用，或者是作为带有附加速度传感器的闭环系统，一般用于需要速度和扭矩控制的中端性能应用。复杂的正弦换向方案确实需要额外的处理能力和控制电子设备来实现。
矢量控制由于其复杂的设计以及对 微控制器的高要求，仅用于高端应用。该算法使用相电流反馈来计算电压和频率向量并对马达进行换向。矢量控制可对速度和转矩进行精确的动态控制，并在较宽的工作范围内保持高效。
也可以使用无传感器技术；分流器监控电机电流，算法将结果与存储的电机运行参数数学模型进行比较。这种方法降低了反馈设备的成本，但大大增加了 MCU 的处理要求。
BLDC 控制策略比较
不同的控制策略有何不同？如您所料，简单的梯形方法的扭矩控制最差，但并不需要过多的微控制器或控制设备。另一方面，矢量控制方法（也称为磁场定向控制，或 FOC）可以出色地控制速度和扭矩，但对微控制器的要求很高。
有刷电机和无刷电机的区别
由于没有机械换向器或电刷磨损，无刷直流电机维护成本低且无火花。此外，它们的轴摩擦和惯性更小，可听噪音更小，扭矩重量比（功率密度）更好，因此它们的尺寸比同类有刷直流电机小得多。
与有刷直流电机相比，BLDC 电机具有多种性能优势。它们具有较高的启动扭矩，增加到额定速度后，扭矩趋于平缓。由于采用实时电子控制，其速度调节很精确并且对负载变化不敏感。由于热量产生在外部转子而不是内部定子，因此更容易冷却。而且由于没有电刷，它们产生的电噪声更小，并且可以以更高的速度运行——在某些情况下可达 100,000 RPM。
可用的有刷和无刷直流电机控制解决方案
正如我们所见，虽然简单的有刷直流电机控制很容易实现，但更精确的 BDC 控制和 BLDC 控制却绝非易事。
好消息是，有多种现成的解决方案可供使用，可以将电机与合适的控制器相匹配。在设备层面，Arrow Electronics 提供来自领先供应商的众多电机控制器，适用于有刷电机和无刷电机。此外，由于电机控制是一个巨大的市场，许多供应商提供针对直流电机控制的开发套件、参考设计和软件库。
有刷电机与无刷电机：哪一种最适合您？
根据您的应用选择合适的直流电机技术时，您有很多选择。
那么，对于空间受限且无法进行维护的医疗设备该怎么办呢？首先看看无刷解决方案。您最关心的是低成本吗？永磁直流电机也许适合您。
是否需要非常精确的控制？考虑使用 BLDC，也许可带有数字控制策略。简单的控制机制？可以选择有刷直流电。
无论如何，既然您了解了无刷电机技术与有刷电机技术的相对优点，您就应该能够更好地做出最佳选择。
