有刷与无刷直流电机：关键区别

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气设备。根据不同的应用和功率需求，有各种各样的电机，从用于医疗设备的直径仅几毫米的小型装置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被称为有刷直流和无刷直流（BLDC）。尽管其基本物理原理相同，但它们的结构、性能特征和控制方式却非常不同。
 
哪种更适合您的应用？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。在这篇文章中，我们将探讨这两种直流电机技术，并为这个复杂的话题提供一些见解。

有刷电机如何工作

直流电机最初发明于19世纪，是最简单的电机类型之一。由于可以通过早期直流照明配电系统供电，它们是最早广泛使用的电机类型。

如图 1所示，典型的有刷直流电动机由旋转的电枢和固定的定子组成。
 
电枢（也称为转子）包含一个或多个绝缘导线绕在软铁芯上的绕组。这些绕组形成一个或多个线圈，并与换向器电连接，换向器是由多个金属接触段组成的柱体，围绕在电枢轴上。定子包围转子，并包含永久磁铁或电磁铁来产生磁场。电刷是由软材料制成的电接触件，如碳，弹簧加载以在轴旋转时与换向器的接触段接触。

电动机中的电刷作用

当直流电源连接到电刷时，电枢线圈通电，将其变为电磁铁，使其旋转，使其北极和南极分别与定子的南极和北极对齐。随着换向器旋转，运动造成进入电枢线圈的电流极性和磁场方向发生反转。电枢朝向其新的对齐方式旋转，电流再次反转，电枢继续旋转。
 
这种反转电流的方法称为机械换向——轴的机械旋转提供了切换电流极性的反馈。
 
通过改变绕组的排列，开发出了几种电刷直流电动机类型，具有不同的性能特征；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，因此仅使用电磁铁。

有刷直流电机的类型及其用途

分流绕组电刷直流电动机的转子和定子场线圈并联连接；无论负载如何，它都以恒定速度运行。这种自我调节特性使其广泛用于工业恒速应用。
 
串联绕组电刷直流电动机的两个线圈串联绕组；其速度随负载变化，负载减小时速度增加，但具有非常高的起动转矩，因此广泛用于短时间应用，如汽车起动器。
 
复合绕组电刷直流电动机是分流和串联绕组电动机的结合，具有两者的特性。复合绕组电动机通常用于既要承受严酷起动条件又需要恒定速度的情况。
 
单独励磁电刷直流电动机有转子和定子的独立电源，可提供高定子场电流和足够的电枢电压以产生所需的转子转矩电流。这种电动机用于需要低速高转矩能力的场合。
 
永磁电刷直流电动机在定子中包含永磁体，消除了外部场电流的需求。这种设计比其他类型的电刷直流电动机更小、更轻、更节能；广泛用于功率不超过约2 HP的低功率应用。

如何控制直流电刷电机的转速

由于机械进行换向，控制刷式直流电机从概念上来说非常简单。固定速度的电机只需要一个直流电压和 开关; 改变电压可以在一个广泛的范围内改变速度。
 
对于需要更复杂控制的应用，可以使用如 图2 所示的一种常见电路拓扑，例如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，BDC电机通过电流流向实现双向运动。

为实现速度控制，使用脉宽调制（PWM）信号生成平均电压。电机绕组充当低通滤波器，使高频PWM波形在电机绕组中生成稳定电流。为了更精确的速度调节，可以添加如霍尔效应传感器或光电编码器等速度传感器，组成闭环控制系统。

有刷直流电机基础

与无刷电机相比，刷电机成本低且可靠，扭矩与惯性的比率高。由于其需要的外部组件很少或几乎没有，它们也适合在恶劣条件下运行。
 
不足之处在于，刷子随着时间的推移会磨损并产生灰尘；刷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性能差，高转子惯性，低最大速度，以及由于刷拱产生的电磁干扰（EMI）。

无刷电机的工作原理

无刷直流 (BLDC) 电机的基本工作原理与有刷直流电机相同——使用内部轴位置反馈进行换向控制——但其构造非常不同。
 
与有刷直流电机相比，BLDC 的永久磁铁安装在转子上；定子由开槽的层叠钢制成，并包含线圈绕组。
 
BLDC 电机也不使用碳刷或机械换向器。迫使转子旋转是通过依次对定子周围的线圈通电来完成的，换向通过与转子位置传感器（例如，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执行。
 
BLDC 的构造方法使其具有更低的内部电阻和定子线圈的更好散热性。这导致更高的运行效率，因为线圈的热量可以通过更大的固定电机外壳更有效地散发。
 
定子绕组可以排列成星形（或 Y 形）模式或三角形模式。钢层压片可以是开槽或无槽的。无槽电机具有更低的电感，因此可以在更高的速度下运行，并在较低速度下表现出更少的波动。无槽定子的主要缺点是成本更高，因为它需要更多的绕组来补偿更大的空气间隙。
 
转子的极数可以根据应用而有所不同。增加极数增加了扭矩，但降低了最大速度。用于构造永久磁铁的材料也会影响最大扭矩，随着磁通密度的增加而增加。

了解更多关于什么是BLDC以及它如何工作。

无刷直流电机控制

由于换向必须通过电子方式进行，BLDC控制比上述简单方案要复杂得多，使用了模拟和数字控制方法。基本控制模块与刷式直流电动机的方法类似，但闭环控制是必需的。

用于BLDC电机控制的三种主要控制算法是：梯形换向、正弦换向和矢量（或磁场导向）控制。每种控制算法可以根据软件编程和硬件设计以不同方式实现，并且每种方式都具有独特的优缺点。

梯形换向需要最简单的控制电路和软件，非常适合低端应用。它使用六步进程并利用转子位置反馈。梯形换向可以有效控制电机速度和功率，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，其性能与霍尔效应方法相似，但需要增加算法复杂性。通过消除霍尔效应传感器及其接口电路，无传感器换向减少了组件和安装成本，并简化了系统设计。
 
正弦换向使用载波频率调制来驱动电机，同时控制三个绕组电流，使它们随电机转动而平滑且正弦地变化。这种技术通过消除与梯形方法相关的扭矩波动和换向尖峰，实现了平滑精确的电机控制。它可以作为开环系统操作，也可以通过添加速度传感器作为闭环系统操作，通常用于需要速度和扭矩控制的中性能应用。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。
 
矢量控制由于设计复杂且对微控制器的要求高，所以保留用于高端应用。算法通过相电流反馈计算电压和频率矢量并对电机进行换向。矢量控制提供了精确的动态速度和扭矩控制，并在宽广的操作范围内高效运行。
 
无传感器技术也可以使用；一个分流器监测电机电流，算法将结果与存储的电机操作参数数学模型进行比较。这种方法降低了反馈设备的成本，但显著增加了MCU的处理需求。

BLDC 控制策略比较

不同的控制策略如何比较呢？如您所料，简单的梯形方法在转矩控制方面表现最差，但对微控制器或控制设备的要求不高。另一方面，矢量控制方法（也称为定向控制或FOC）在速度和转矩控制方面表现出色，但对微控制器的要求很高。

有刷和无刷电机的区别

由于没有机械换向器或电刷磨损，直流无刷电机的维护需求低且不易产生火花。此外，它们具有较少的轴摩擦和惯性、更少的可闻噪声以及更好的扭矩重量比（功率密度），因此它们的尺寸比可比的有刷直流电机要小得多。
 
与有刷直流电机相比，直流无刷电机具有几项性能优势。它们具有高起始扭矩，并且扭矩在额定速度范围内保持平稳。由于实时电子控制，其速度调节精确且对负载变化不敏感。由于热量产生在外部定子而不是内部转子，它们更容易保持冷却。而且由于没有电刷，它们产生的电噪声更少并能以更高的速度运行——在某些情况下可达到100,000 RPM。

可用的有刷和无刷直流电机控制解决方案

如我们所见，虽然简单的刷式直流电机控制很容易实现，但更精确的BDC控制和BLDC控制并不那么简单。
 
好消息是，有多种现成的解决方案可以将电机与合适的控制器相配。在设备层面，Arrow Electronics提供了来自领先供应商的众多电机控制器，涵盖刷式和无刷电机。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：哪种更适合您？

在选择合适的直流电机技术时，您有很多选择，具体取决于您的应用。
 
对于空间受限且无法进行维护的医疗设备，如何呢？ 可以考虑无刷解决方案。 主要关注成本低吗？ 也许永磁直流电机适合您。
 
是否需要非常精确的控制？ 考虑BLDC，也许可以采用数字控制策略。 简单的控制方案？ 查看一下有刷直流选项。
 
无论哪种方式，现在您了解了无刷和有刷电机技术的相对优点，您应该能够更好地做出最佳选择。