常用的直流電機有兩種：有刷電機和無(wú)刷電機（或稱(chēng)BLDC電機）。顧名思義，有刷直流電機帶有電刷，電刷可以使電機換向并旋轉；而無(wú)刷電機則用電子控制取代了機械換向功能。

 

很多應用都是既可以使用有刷直流電機，也可以使用無(wú)刷直流電機。兩種類(lèi)型的電機基于相同的線(xiàn)圈和永磁體吸引與排斥原理，二者都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據應用需求進(jìn)行具體選擇。

有刷直流電機 

 

有刷直流電機(圖片來(lái)源：maxon集團)

 

直流電機使用繞線(xiàn)線(xiàn)圈來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。在有刷電機中，線(xiàn)圈可以自由旋轉從而驅動(dòng)軸，它們被稱(chēng)為“轉子“。通常，線(xiàn)圈纏繞在鐵芯上，當然也有“無(wú)芯“有刷電機，其繞組是自支撐的。

 

電機的固定部分稱(chēng)為“定子“。用于提供固定磁場(chǎng)的永磁體通常位于定子的內表面和轉子的外部。

 

為了產(chǎn)生使轉子旋轉的扭矩，轉子的磁場(chǎng)需要持續旋轉，以使其磁場(chǎng)吸引并排斥定子的固定磁場(chǎng)。通常采用滑動(dòng)式電子開(kāi)關(guān)來(lái)使磁場(chǎng)旋轉。該開(kāi)關(guān)由換向器和固定電刷組成，換向器通常是安裝在轉子上的分片觸點(diǎn)，而固定電刷則安裝在定子上。

 

 

隨著(zhù)轉子的轉動(dòng)，換向器不斷地接通和斷開(kāi)不同的轉子繞組，導致轉子線(xiàn)圈不斷被定子的固定磁體吸引和排斥，從而使轉子旋轉。

 

有刷電機的電刷和換向器之間存在機械摩擦，而且由于是電觸點(diǎn)，通常無(wú)法潤滑。因此電刷和換向器在電機的整個(gè)壽命周期內都存在機械磨損，并最終將導致電機無(wú)法工作。不過(guò)許多有刷電機（尤其是大型有刷電機）都有可更換的電刷，其電刷通常由碳制成，在磨損后也可保持良好的接觸，這些電機都需要定期維護。但即使有可更換的電刷，換向器最終也會(huì )磨損到必須更換電機的程度。

 

要驅動(dòng)有刷電機，需要在電刷兩端施加直流電壓，使電流流經(jīng)轉子繞組從而旋轉電機。

 

如果一個(gè)有刷電機在應用中只需要向一個(gè)方向旋轉，也無(wú)需控制速度或扭矩，則完全不需要驅動(dòng)電子設備。在這類(lèi)應用中，只需打開(kāi)和關(guān)閉直流電壓即可使電機運行或停止。這在電動(dòng)玩具等低成本應用中很常見(jiàn)。如果需要反向旋轉，則可以通過(guò)雙極開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。

 

如果需要控制速度、扭矩和方向，則采用由電子開(kāi)關(guān)（晶體管、IGBT或MOSFET）組成的“ H橋”來(lái)驅動(dòng)電機向任一方向旋轉。施加到電機上的電壓可以是任一極性，它使電機沿不同方向旋轉。而通過(guò)調制開(kāi)關(guān)脈沖的寬度可以控制電機的速度或扭矩。 

 

 

無(wú)刷直流電機 

 

無(wú)刷直流電機(圖片來(lái)源：maxon集團)

 

無(wú)刷直流電機與有刷電機的磁吸和排斥原理相同，但結構略有不同。與有刷電機的機械換向器和電刷不同，無(wú)刷電機通過(guò)電子換向器實(shí)現定子的磁場(chǎng)旋轉，而這需要使用主動(dòng)控制電子設備。 

 

在無(wú)刷電機中，轉子上附有永磁體，定子上則裝有繞組。轉子可以放在內側（如上圖所示），也可以放在繞組外側（有時(shí)稱(chēng)為“外轉式”電機）。

 

無(wú)刷電機中用到的繞組數稱(chēng)為相數，它可以有不同的相數，但最常見(jiàn)的是三相無(wú)刷電機。另外，如小型冷卻風(fēng)扇等可能就只有一相或兩相。

 

無(wú)刷電機的三個(gè)繞組通常以“星形”或“三角形”方式連接。無(wú)論哪種連接，都有三根線(xiàn)連接到電機，而且其驅動(dòng)技術(shù)和波形都是相同的。

 

 

三相電機可以構建不同的磁配置，稱(chēng)為磁極。最簡(jiǎn)單的三相電機有兩個(gè)磁極：轉子只有一對磁極，一個(gè)N極，一個(gè)S極。當然也可以有更多的磁極，這需要在轉子中配置更多的磁性部分，并在定子中增加更多繞組。磁極越多，性能越高，但極數少可以實(shí)現更高的速度。

 

 

要驅動(dòng)三相無(wú)刷電機，三相繞組每相需要在根據轉子位置狀態(tài)，運行在高電位或低電位上。為此，通常采用三個(gè)“半橋”驅動(dòng)電路來(lái)實(shí)現驅動(dòng)，每個(gè)驅動(dòng)電路都由兩個(gè)開(kāi)關(guān)組成。根據所需的電壓和電流，開(kāi)關(guān)可以是雙極型晶體管、IGBT或MOSFET。

 

 

三相無(wú)刷電機可以采用的驅動(dòng)技術(shù)有很多，其中最簡(jiǎn)單的被稱(chēng)為梯形波驅動(dòng)、方波驅動(dòng)或120度換向控制。梯形換向有點(diǎn)類(lèi)似于直流有刷電機中采用的換向方法：在任何給定時(shí)間，三相中都有一相接地、一相斷開(kāi)、另一相連至電源電壓。如果需要控制速度或扭矩，則可以脈寬調制連接到電源電壓的相位。由于相位在每個(gè)換向點(diǎn)突然切換，而轉子的旋轉是恒定的，因此扭矩會(huì )隨著(zhù)電機的旋轉產(chǎn)生一些變化，這稱(chēng)為扭矩波動(dòng)。

 

為了改善性能，也可以采用其他換向方法。如正弦或180度換向法可以始終驅動(dòng)所有三個(gè)電機相位的電流?？刂破骺刂乞寗?dòng)，使得三相無(wú)刷電機每相產(chǎn)生正弦電流，且每相之間的相移為120度。這種驅動(dòng)技術(shù)可以最大程度地減小扭矩波動(dòng)以及噪音和振動(dòng)，通常用于高性能或高效率的驅動(dòng)器。

 

要適當地旋轉磁場(chǎng)，控制電子設備需要知道轉子上的磁體相對于定子的物理位置。通常，這個(gè)位置信息通過(guò)安裝在定子上的霍爾傳感器獲得。當磁性轉子旋轉時(shí)，霍爾傳感器會(huì )拾取轉子的磁場(chǎng)。驅動(dòng)電子設備利用該信息，使電流按順序流過(guò)定子繞組以使轉子旋轉。

 

 

采用三個(gè)霍爾傳感器，通過(guò)簡(jiǎn)單的組合邏輯即可實(shí)現梯形換向，無(wú)需復雜的控制電子設備。而其他換向方法（例如正弦換向）則需要更復雜的控制電子設備，而且通常需要微控制器。

 

除了使用霍爾傳感器提供位置反饋以外，還有很多方法可以在沒(méi)有傳感器的情況下確定轉子位置。最簡(jiǎn)單的方法是在未驅動(dòng)的相位上監測反電動(dòng)勢，以感應相對于定子的磁場(chǎng)。還有一種更復雜的控制算法，稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制（FOC），它基于轉子電流和其他參數來(lái)計算位置。FOC通常需要功能強大的處理器來(lái)快速執行許多計算，因此這種方法比簡(jiǎn)單的梯形控制法要昂貴很多。

 

有刷電機和無(wú)刷電機的優(yōu)缺點(diǎn) 

 

下表總結了兩種電機類(lèi)型的主要優(yōu)缺點(diǎn)。根據應用需求，您可能更愿意選擇無(wú)刷電機。

 

 

使用壽命

 

如前所述，有刷電機的缺點(diǎn)之一是電刷和換向器存在機械磨損。碳刷尤其是易耗品，在很多電機的維護計劃中，都規定碳刷要定期更換。換向器的軟銅也會(huì )被電刷慢慢磨損，并最終導致電機無(wú)法工作。而無(wú)刷電機沒(méi)有運動(dòng)觸點(diǎn)，因此不存在這種磨損。

速度和加速度

 

有刷電機的轉速會(huì )受到電刷、換向器以及轉子質(zhì)量的限制。在極高的速度下，電刷與換向器的接觸會(huì )變得不穩定，并且電刷電弧會(huì )增大。大多數有刷電機在轉子中還使用了疊片鐵芯，這使它們具有較大的轉動(dòng)慣量，也限制了電機的加速和減速速率。在轉子上采用高性能稀土磁體可以將轉動(dòng)慣量降至最低。當然，這會(huì )增加成本。

 

電氣噪聲

 

電刷和換向器形成了一種電氣開(kāi)關(guān)。當電機轉動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)或閉合，大量電流流過(guò)電感轉子繞組，并在觸點(diǎn)處產(chǎn)生電弧。這些電弧會(huì )產(chǎn)生大量電氣噪聲，會(huì )耦合到敏感電路中。在電刷上增加電容或RC緩沖器可以一定程度上減輕電弧，但是換向器的瞬時(shí)切換仍然會(huì )產(chǎn)生一些電氣噪聲。

 

聲學(xué)噪聲

 

有刷電機是“硬切換”的，也就是說(shuō)，電流是突然從一個(gè)繞組移動(dòng)到另一個(gè)繞組。隨著(zhù)繞組的接通和斷開(kāi)，產(chǎn)生的扭矩隨轉子的旋轉而變化，導致扭矩波動(dòng)。而無(wú)刷電機可以控制繞組電流逐漸從一個(gè)繞組過(guò)渡到另一個(gè)繞組，這降低了扭矩波動(dòng)。扭矩波動(dòng)是能量在轉子上的機械脈動(dòng)，它會(huì )引起振動(dòng)和機械噪聲，尤其是在轉子轉速較低時(shí)更嚴重。

 

成本

 

有刷電機技術(shù)非常成熟，制造成本也很低。無(wú)刷電機因為需要更復雜的電子設備，所以總成本高于有刷電機；但因為沒(méi)有電刷和換向器，因此比有刷電機更容易制造。無(wú)刷電機現在越來(lái)越普及，特別是在汽車(chē)電機等大批量應用中。另外，電子設備（如微控制器）成本持續下降也使無(wú)刷電機更具吸引力。

 

總結

 

由于成本不斷下降而且性能更佳，無(wú)刷電機越來(lái)越受歡迎。但對有些應用來(lái)說(shuō)，有刷電機仍然是最佳選擇。

 

從無(wú)刷電機在汽車(chē)中的應用我們可以知道，截至2020年，大多數汽車(chē)行駛時(shí)運行的電機（例如泵和風(fēng)扇）都已從有刷電機轉為無(wú)刷電機，以提高其可靠性?，F場(chǎng)故障率的降低和維護要求的降低，完全彌補了無(wú)刷電機及其驅動(dòng)設備所增加的成本。

 

另一方面，那些不常操作的電機（例如移動(dòng)電動(dòng)座椅和電動(dòng)窗的電機）仍然主要采用有刷電機。 因為在汽車(chē)的整個(gè)壽命周期內，這些電機的總運行時(shí)間非常短，不大可能發(fā)生故障。

 

隨著(zhù)無(wú)刷電機及其相關(guān)電子設備的成本不斷降低，無(wú)刷電機逐漸滲透傳統有刷電機占據主導的應用。汽車(chē)行業(yè)的另一個(gè)例子是，高端車(chē)型中的座椅調節電機已經(jīng)換成了無(wú)刷電機，因為它們產(chǎn)生的噪音更小。

來(lái)源：MPS

 

 

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