一文解析無刷直流電機與直流有刷電機的區(qū)別

直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機，因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。直流電機又可分為無刷直流電機與直流有刷電機，本文首先介紹了無刷直流電機的工作原理及應用，其次闡述了直流有刷電機的原理及應用，最后介紹了無刷直流電機與直流有刷電機的區(qū)別，具體的跟隨小編一起來了解一下。

無刷直流電機

無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。 無刷電機是指無電刷和換向器（或集電環(huán)）的電機，又稱無換向器電機。早在十九紀誕生電機的時候，產(chǎn)生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機得到了廣泛的應用。但是，異步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術發(fā)展緩慢。上世紀中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機就應運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機，它克服了第一代無刷電機的缺陷。

無刷直流電機的工作原理

無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。 電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。

直流電機具有響應快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術才能達到?，F(xiàn)今半導體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直角坐標系統(tǒng)中，適當控制交流電機在兩軸電流分量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當?shù)男阅堋?/p>

此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越小；像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，adc）、脈沖寬度調(diào)制（pulse wide modulator，pwm）…等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相，得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構(gòu)上缺失的一種應用。

1、操作原理

每一次換向都會有一組繞組處于正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。轉(zhuǎn)子永磁體的磁場和定子鋼片產(chǎn)生的磁場相互作用就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，理論上，當這兩個磁場夾角為90？時會產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，當這兩個磁場重合時轉(zhuǎn)矩變?yōu)?，為了使轉(zhuǎn)子不停的轉(zhuǎn)動，那么就需要按順序改變定子的磁場，就像轉(zhuǎn)子的磁場一直在追趕定子的磁場一樣。典型的“六步電流換向”順序圖展示了定子內(nèi)繞組的通電次序。

2、轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性

圖 2.5.1 轉(zhuǎn)矩和速度特性顯示了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性。BLDC一共有兩種轉(zhuǎn)矩度量：最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩。當電機連續(xù)運轉(zhuǎn)的時候表現(xiàn)出來的就是額定轉(zhuǎn)矩。在無刷電機達到額定轉(zhuǎn)速之前，轉(zhuǎn)矩不變，無刷電機最高轉(zhuǎn)速可以達到額定轉(zhuǎn)速的150%，但是超速時電機的轉(zhuǎn)矩會相應下降。

在實際的應用中，我們常常會讓帶負載的電機啟動、停轉(zhuǎn)和逆向運行，此時就需要比額定轉(zhuǎn)矩更大的轉(zhuǎn)矩。特別是當轉(zhuǎn)子靜止和反方向加速時啟動電機，這個時候就需要更大的轉(zhuǎn)矩來抵消負載和轉(zhuǎn)子自身的慣性，這個時候就需要提供最大的轉(zhuǎn)矩一直到電機進入正向轉(zhuǎn)矩曲線階段。

圖2.5.1 轉(zhuǎn)矩和速度特性

無刷直流電機應用

無刷直流電機的應用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動化以及航空航天等等。總的來說，無刷直流電機可以分為以下三種主要用途：

持續(xù)負載應用：主要是需要一定轉(zhuǎn)速但是對轉(zhuǎn)速精度要求不高的領域，比如風扇、抽水機、吹風機等一類的應用，這類應用成本較低且多為開環(huán)控制。

可變負載應用：主要是轉(zhuǎn)速需要在某個范圍內(nèi)變化的應用，對電機轉(zhuǎn)速特性和動態(tài)響應時間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干機和壓縮機就是很好的例子，汽車工業(yè)領域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動機控制等，這類應用的系統(tǒng)成本相對更高些。

定位應用：大多數(shù)工業(yè)控制和自動控制方面的應用屬于這個類別，這類應用中往往會完成能量的輸送，所以對轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。測速時可能會用上光電和一些同步設備。過程控制、機械控制和運輸控制等很多都屬于這類應用。

直流有刷電機簡介

直流有刷電機是內(nèi)含電刷裝置的將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機。區(qū)別于直流無刷電機，電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。直流有刷電機是所有電機的基礎，它具有啟動快、制動及時、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對簡單等特點。

直流有刷電機原理

定子產(chǎn)生靜止磁場。這一靜止磁場圍繞在電樞（或稱轉(zhuǎn)子）的周圍。外加電源激發(fā)出電樞磁場。直流有刷電機電機軸上還有兩個圓弧形的銅片，稱為換向片。電機轉(zhuǎn)動時，碳質(zhì)的電刷在換向器上滑動。這樣就可以產(chǎn)生一個與定子的靜止磁場相吸引的旋轉(zhuǎn)磁場。電樞和定子繞組中的電流由電池或其它直流電源供給（永磁直流有刷電機電機沒有定子繞組）。電池（或直流電源）提供恒定的直流電壓。電壓幅度決定了電機的轉(zhuǎn)速，因此是電池或直流電源是一個線性激勵源。改變直流有刷電機電機速度的最有效方式是采用脈寬調(diào)制（pwm）技術。pwm技術是以固定的頻率開關恒壓源。改變pwm信號的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機的速度。脈沖高低電平間的比例稱為pwm信號的占空比。直流電池電平的幅度等于pwm信號的平均幅度

直流有刷電機應用

直流有刷電機具有良好的啟動和調(diào)速性能，常應用于對啟動和調(diào)速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機、礦井卷揚機、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機車、內(nèi)燃機車、城市電車、地鐵列車、電動自行車、造紙和印刷機械、船舶機械、大型精密機床和大型起重機等生產(chǎn)機械中。

無刷直流電機與直流有刷電機的區(qū)別

直流有刷電機和無刷電機的主要區(qū)別是：是否配置有常用的電刷-換向器。

有刷直流電機的換向一直是通過石墨電刷與安裝在轉(zhuǎn)子上的環(huán)形換向器相接觸來實現(xiàn)的。而直流無刷電機則通過霍爾傳感器把轉(zhuǎn)子位置反饋回控制電路，使其能夠獲知電機相位換向的準確時間。大多數(shù)無刷電機生產(chǎn)商生產(chǎn)的電機都具有三個霍爾效應定位傳感器。由于無刷電機沒有電刷，故也沒有相關接口，因此更干凈，噪聲更小，事實上無需維護，壽命更長。

其次，直流無刷是基于交流調(diào)速原理基礎上制造出來的，性能方面既有直流電機的啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定調(diào)速方便，又有交流電機的結(jié)構(gòu)簡單沒有易損件（沒有直流電機的碳刷）

第三，價格方面。因為需要專門的驅(qū)動電路驅(qū)動故價格要比普通直流電機高3~4倍左右。

第四，技術層面。因為直流無刷電機大部分都自帶驅(qū)動電路（可以調(diào)速，當然也有恒速的）所以驅(qū)動起來只要給它接上額定電壓后，輸入調(diào)速PWM信號就可以了。這點無需再添加專門的驅(qū)動電路。另外，直流無刷電機因為有霍爾元件做反饋所以轉(zhuǎn)速幾乎是穩(wěn)定恒速的。

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