有刷直流电机和无刷直流电机的特性与区别

半导体

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有刷无刷DC电机特性及优缺点

　　随着对低能耗、高安全性、高可靠性和精确控制的需求不断提升，工业自动化的工业驱动日趋复杂，需要尖端的电机技术的支持。本期大讲台将详细解读直流有刷电机和直流无刷电机的优缺点、设计要素等相关内容。

　　有刷DC电机

　　刷式直流电机是现有历史最久的电机拓扑之一。它们将固定刷子安装在定子机座上，摩擦转子上的换向片，而后者又连接至旋转的线圈段。随着电机旋转，不同转子线圈不断连接和断开，这样转子产生的净磁场相对于定子机座就是固定的，且通过定子磁场正确定向，从而产生扭矩。当换向片旋转过刷子时，这些特定转子线圈段的电触头将会断开。由于转子线圈是电感的，而电感器生成高回扫电压来抵抗电流变化，因此刷子和断开的换向片之间会产生火花。这些火花会导致很多负面结果，如电噪声、效率降低，以及某些情况下的危险操作。此外，刷子必须安装弹簧来抵抗换向片，以确保电接触良好。这进一步降低了效率，需要定期维护更换刷子。

　　尽管有诸多劣势，但刷式直流电机有一显著优势：成本。由于控制刷式直流电机相对简单，因此还广泛用于系统成本是主要驱动因素的应用中。在使用永久磁性生成定子磁通的拓扑中，产生的速度/扭矩曲线非常有线性特征。因此，刷式直流电机历来常用于工业伺服应用，速度和扭矩分别与所应用的电压和电流成正比。但是，半导体器件的跌价使得电源转换和控制的成本降低。因此，许多直流电机被交流电机所取代，后者带来了效率和可靠性提高等优势。

　　刷式直流电机的主题多种多样，如直流并联电机和通用电机，两者都使用定子线圈代替永久磁性。在直流并联电机中，定子线圈与转子电路并联;而在通用电机中，定子线圈与转子串联。通用电机在家电应用中尤其常用，因为它具有高启动扭矩，可以高速运行。只需添加串联晶闸管并进行交流相位控制，便可轻松对通用电机进行速度控制。但是，刷子/换向器结构常见于这些电机类型，因此它们具有标准 PM 刷式直流电机相同的劣势。

　　无刷直流电机 (BLDC)

　　无刷直流(BLDC)电机可以想像成与刷式直流电机截然相反，其中永久磁性在转子上，而绕线在定子上。因此，该电机没有刷子和换向器，消除了与刷式直流电机产生火花相关的劣势。

图题：无刷直流电机 (BLDC)

　　该电机被称为直流电机，是因为其线圈通过直流电源驱动，而直流电源是按预定顺序的形式应用到不同的定子线圈。这一过程称为换向。但是，BLDC 并不恰当，因为该电机实际上属于交流电机。在电路循环过程中，每个线圈中的电流正负交替。定子一般是凸极结构，旨在产生梯形反电动势波形，尽可能符合所应用的换向电压波形。但是实际上很难做到，产生的反电动势波形通常更像正弦，而非梯形。因此，PMSM 电机使用的许多控制技术(如场定向控制)同样适用于 BLDC 电机。

　　对BLDC电机的另一个误解是关于其如何驱动。不同于开环步进应用中驱动的定子线圈决定转子位置，在 BLDC 电机中，转子位置决定要驱动哪个定子线圈。定子磁通矢量位置必须与转子磁通矢量位置保持同步(而非相反)，以使电机操作顺畅。要实现这一目的，需要了解转子位置来确定要驱动的定子线圈。现有多种技术可实现这一目的，但最常用的技术是使用霍尔效应传感器监控转子位置。遗憾的是，这些传感器及其相关连接器和线束会增加系统成本，并降低可靠性。

　　为减少这些问题，已有多种技术开发出来用于消除这些传感器，进而实现无传感器操作。多数技术依靠在电机旋转时，从定子绕线的反电动势波形中提取位置信息。但是，依靠反电动势传感的技术在电机旋转缓慢或静止时便无用武之地，因为此时反电动势波形很弱或根本不存在。因此，我们不断开发新技术，以在低转速或零转速时从其他信号中获取转子位置信息。

　　BLDC 电机在效率额定值方面占绝对优势，一般可达到 95% 左右。当前对新非晶合金材料的研究正在将这一数字推向新高。已有报道称 100W 范围内效率为 96%。 BLDC 电机还在争夺"世界最快电机"之称，部分电机速度可达到数十万 RPM(其中一项应用中已报道 400K RPM)。

　　最常用的 BLDC 电机拓扑使用 3 相定子结构。因此，标准的 6 晶体管反向器是最常用的功率级，如图所示。根据运行要求(有传感器与无传感器、换向与正弦、PWM 与 SVM 等)，有很多不同的方法可驱动晶体管来达到所需目标，此处不一一列举。这对一般位于微控制器中的 PWM 发生器的灵活性提出了极高要求。

　　有刷电机优缺点

　　优点：

　　a) 变速平稳，几乎感觉不到振动;

　　b) 温升低，可靠性好;

　　c) 价格低，所以被较多厂家选用。

　　缺点：

　　a) 碳刷易磨损，更换较为麻烦，寿命短;

　　b) 运行电流大，电机磁钢易退磁，降低了电机与电池的作用寿命。

　　无刷电机的优缺点

　　优点：

　　a) 电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍，代表了电动车的发展方向;

　　b) 属静态电机，空载电流小;