直流有刷/無刷DC電機的優(yōu)缺點及選型注意事項

　　隨著對低能耗、高安全性、高可靠性和精確控制的需求不斷提升，工業(yè)自動化的工業(yè)驅(qū)動日趨復(fù)雜，需要尖端的電機技術(shù)的支持。本期大講臺將詳細(xì)解讀直流有刷電機和直流無刷電機的優(yōu)缺點、設(shè)計要素等相關(guān)內(nèi)容。

　　有刷DC電機

　　刷式直流電機是現(xiàn)有歷史最久的電機拓?fù)渲?。它們將固定刷子安裝在定子機座上，摩擦轉(zhuǎn)子上的換向片，而后者又連接至旋轉(zhuǎn)的線圈段。隨著電機旋轉(zhuǎn)，不同轉(zhuǎn)子線圈不斷連接和斷開，這樣轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的凈磁場相對于定子機座就是固定的，且通過定子磁場正確定向，從而產(chǎn)生扭矩。當(dāng)換向片旋轉(zhuǎn)過刷子時，這些特定轉(zhuǎn)子線圈段的電觸頭將會斷開。由于轉(zhuǎn)子線圈是電感的，而電感器生成高回掃電壓來抵抗電流變化，因此刷子和斷開的換向片之間會產(chǎn)生火花。這些火花會導(dǎo)致很多負(fù)面結(jié)果，如電噪聲、效率降低，以及某些情況下的危險操作。此外，刷子必須安裝彈簧來抵抗換向片，以確保電接觸良好。這進(jìn)一步降低了效率，需要定期維護(hù)更換刷子。

　　盡管有諸多劣勢，但刷式直流電機有一顯著優(yōu)勢：成本。由于控制刷式直流電機相對簡單，因此還廣泛用于系統(tǒng)成本是主要驅(qū)動因素的應(yīng)用中。在使用永久磁性生成定子磁通的拓?fù)渲?，產(chǎn)生的速度/扭矩曲線非常有線性特征。因此，刷式直流電機歷來常用于工業(yè)伺服應(yīng)用，速度和扭矩分別與所應(yīng)用的電壓和電流成正比。但是，半導(dǎo)體器件的跌價使得電源轉(zhuǎn)換和控制的成本降低。因此，許多直流電機被交流電機所取代，后者帶來了效率和可靠性提高等優(yōu)勢。

　　刷式直流電機的主題多種多樣，如直流并聯(lián)電機和通用電機，兩者都使用定子線圈代替永久磁性。在直流并聯(lián)電機中，定子線圈與轉(zhuǎn)子電路并聯(lián);而在通用電機中，定子線圈與轉(zhuǎn)子串聯(lián)。通用電機在家電應(yīng)用中尤其常用，因為它具有高啟動扭矩，可以高速運行。只需添加串聯(lián)晶閘管并進(jìn)行交流相位控制，便可輕松對通用電機進(jìn)行速度控制。但是，刷子/換向器結(jié)構(gòu)常見于這些電機類型，因此它們具有標(biāo)準(zhǔn) PM 刷式直流電機相同的劣勢。

　　無刷直流電機 （BLDC）

　　無刷直流（BLDC）電機可以想像成與刷式直流電機截然相反，其中永久磁性在轉(zhuǎn)子上，而繞線在定子上。因此，該電機沒有刷子和換向器，消除了與刷式直流電機產(chǎn)生火花相關(guān)的劣勢。

　　該電機被稱為直流電機，是因為其線圈通過直流電源驅(qū)動，而直流電源是按預(yù)定順序的形式應(yīng)用到不同的定子線圈。 這一過程稱為換向。但是，BLDC 并不恰當(dāng)，因為該電機實際上屬于交流電機。 在電路循環(huán)過程中，每個線圈中的電流正負(fù)交替。定子一般是凸極結(jié)構(gòu)，旨在產(chǎn)生梯形反電動勢波形，盡可能符合所應(yīng)用的換向電壓波形。但是實際上很難做到，產(chǎn)生的反電動勢波形通常更像正弦，而非梯形。因此，PMSM 電機使用的許多控制技術(shù)（如場定向控制）同樣適用于 BLDC 電機。

　　對BLDC電機的另一個誤解是關(guān)于其如何驅(qū)動。不同于開環(huán)步進(jìn)應(yīng)用中驅(qū)動的定子線圈決定轉(zhuǎn)子位置，在 BLDC 電機中，轉(zhuǎn)子位置決定要驅(qū)動哪個定子線圈。定子磁通矢量位置必須與轉(zhuǎn)子磁通矢量位置保持同步（而非相反），以使電機操作順暢。要實現(xiàn)這一目的，需要了解轉(zhuǎn)子位置來確定要驅(qū)動的定子線圈?，F(xiàn)有多種技術(shù)可實現(xiàn)這一目的，但最常用的技術(shù)是使用霍爾效應(yīng)傳感器監(jiān)控轉(zhuǎn)子位置。遺憾的是，這些傳感器及其相關(guān)連接器和線束會增加系統(tǒng)成本，并降低可靠性。

　　為減少這些問題，已有多種技術(shù)開發(fā)出來用于消除這些傳感器，進(jìn)而實現(xiàn)無傳感器操作。 多數(shù)技術(shù)依靠在電機旋轉(zhuǎn)時，從定子繞線的反電動勢波形中提取位置信息。 但是，依靠反電動勢傳感的技術(shù)在電機旋轉(zhuǎn)緩慢或靜止時便無用武之地，因為此時反電動勢波形很弱或根本不存在。因此，我們不斷開發(fā)新技術(shù)，以在低轉(zhuǎn)速或零轉(zhuǎn)速時從其他信號中獲取轉(zhuǎn)子位置信息。

　　BLDC 電機在效率額定值方面占絕對優(yōu)勢，一般可達(dá)到 95% 左右。 當(dāng)前對新非晶合金材料的研究正在將這一數(shù)字推向新高。已有報道稱 100W 范圍內(nèi)效率為 96%。 BLDC 電機還在爭奪“世界最快電機”之稱，部分電機速度可達(dá)到數(shù)十萬 RPM（其中一項應(yīng)用中已報道 400K RPM）。

　　最常用的 BLDC 電機拓?fù)涫褂?3 相定子結(jié)構(gòu)。 因此，標(biāo)準(zhǔn)的 6 晶體管反向器是最常用的功率級，如圖所示。根據(jù)運行要求（有傳感器與無傳感器、換向與正弦、PWM 與 SVM 等），有很多不同的方法可驅(qū)動晶體管來達(dá)到所需目標(biāo)，此處不一一列舉。這對一般位于微控制器中的 PWM 發(fā)生器的靈活性提出了極高要求。

　　有刷電機優(yōu)缺點

　　優(yōu)點：

　　a） 變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動;

　　b） 溫升低，可靠性好;

　　c） 價格低，所以被較多廠家選用。

　　缺點：

　　a） 碳刷易磨損，更換較為麻煩，壽命短;

　　b） 運行電流大，電機磁鋼易退磁，降低了電機與電池的作用壽命。

　　無刷電機的優(yōu)缺點

　　優(yōu)點：

　　a） 電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低，壽命比有刷電機提高了約6倍，代表了電動車的發(fā)展方向;

　　b） 屬靜態(tài)電機，空載電流小;

　　c） 效率高;

　　d） 體積小。

　　缺點：

　　a） 低速起動時有輕微振動，如速度加大換相頻率增大，就感覺不到振動現(xiàn)象了;

　　b） 價格高，控制器要求高;

　　c） 易形成共振，因為任何一件東西都有一個固有振動頻率，如果無刷電機的振動頻率與車架或塑料件的振動頻率相同或接近時就容易形成共振現(xiàn)象，但可以通過調(diào)整將共振現(xiàn)象減小到最小程度。所以采用無刷電機驅(qū)動的電動車有時會發(fā)出一種嗡嗡的聲音是一種正常的現(xiàn)象。

　　d） 腳踏騎行時較費力，最好是電力驅(qū)動與腳踏助力相結(jié)合。

　　無刷直流電機選型

　　無刷直流電機選型時需參考的主要參數(shù)有以下幾點：

　　最大扭矩：可以通過將負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)動慣量和摩擦力相加得到，另外，還有一些額外的因素影響最大扭矩如氣隙空氣的阻力等。

　　平方模扭矩：可以近似的認(rèn)為是實際應(yīng)用需要的持續(xù)輸出扭矩，由許多因素決定：最大扭矩、負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)動慣量、加速、減速及運行時間等。

　　轉(zhuǎn)速：這是有應(yīng)用需求的轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速梯形曲線來確定電機的轉(zhuǎn)速需求，通常計算時要留有10%的余量。