我永遠(yuǎn)不會(huì)忘記我的第一個(gè)涉及電機(jī)的項(xiàng)目。

我在小學(xué)時(shí)為一個(gè)科學(xué)項(xiàng)目建造了一個(gè)小型電梯。當(dāng)然，它在測(cè)試階段工作得很好，但在計(jì)算時(shí)卻失敗了。我用木頭建造了電梯井架，并使用了帶繩索的滑輪系統(tǒng)來(lái)上下提升紙板箱。(這是在我學(xué)習(xí)齒輪/滑輪比之前，所以我的電梯更像是一個(gè)彈射座椅而不是電梯。)

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制，我在我的項(xiàng)目中使用了電池、開關(guān)和直流電機(jī)。長(zhǎng)話短說(shuō) - 因?yàn)槲姨珜Ｗ⒂跍y(cè)試，我的電池實(shí)際上在演示之前就沒電了。事后看來(lái)，我應(yīng)該在演示之前更換電池。老師仍然給了我一個(gè)不錯(cuò)的分?jǐn)?shù)，因?yàn)橛腥四慷昧穗娞莸墓ぷ鞑槲覔?dān)保。

那是我第一次接觸直流電機(jī)。你能猜出我用的是哪種直流電機(jī)嗎?

直流電機(jī)的類型

有兩種類型的直流電機(jī) - 有刷和無(wú)刷。它們都是直流永磁電機(jī)，因?yàn)樗鼈兌际褂梅侄问接来呸D(zhuǎn)子。這些電機(jī)通常用于速度控制應(yīng)用。

有司機(jī)還是沒有司機(jī)?

第一個(gè)區(qū)別來(lái)自他們的名字。一個(gè)使用刷子，一個(gè)不使用。有刷直流電機(jī)也稱為自換向直流電機(jī)。它的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)允許它在沒有驅(qū)動(dòng)電路的情況下運(yùn)行，我將在后面介紹。無(wú)刷直流電機(jī)不能自換向，因此需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，該電路使用晶體管將電流引導(dǎo)至電機(jī)的不同繞組線圈。

設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)

電機(jī)按順序?yàn)槠涠ㄗ又械囊唤M電磁鐵通電，以通過(guò)其永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。定子上的北極會(huì)吸引電機(jī)上的南極。這是所有永磁直流電機(jī)的運(yùn)行原理。他們這樣做的方式是不同的。

要理解為什么這些電機(jī)會(huì)像它們那樣運(yùn)行，我們需要了解它的設(shè)計(jì)。

以下是有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在下圖中，我們展示了一個(gè)在定子而不是轉(zhuǎn)子中使用永磁體的有刷電機(jī)。有時(shí)，永磁體可能位于轉(zhuǎn)子中，具體取決于制造商。通過(guò)在轉(zhuǎn)子中設(shè)置繞組線圈，熱量不會(huì)像在定子中設(shè)置繞組線圈那樣散發(fā)熱量。

左上圖顯示換向器和電刷。右下角的圖像從前視圖顯示了相同的電機(jī)。 電機(jī)內(nèi)部裝有電刷形式的電極和換向器。 換向器隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，定子靜止不動(dòng)。在此電機(jī)中，有兩個(gè)永磁體磁極 - 北極和南極。

當(dāng)電源連接到固定刷時(shí)，一組特定的電磁鐵(線圈)在轉(zhuǎn)子中通電，吸引下一個(gè)磁極并排斥定子的電流極。一旦轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到下一組電磁鐵，電刷就會(huì)機(jī)械地切換到轉(zhuǎn)子中的下一組電磁鐵。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，直到電源斷開。 可以通過(guò)切換電源的極性來(lái)改變電機(jī)的方向。

下圖顯示了一個(gè)無(wú)刷電機(jī)，其永磁體位于轉(zhuǎn)子而不是定子上，這是我們制造的類型。這種設(shè)計(jì)的一個(gè)好處是，產(chǎn)生最多熱量的定子繞組線圈可以比線圈位于中心的電機(jī)更快地散熱。

左上圖顯示了電機(jī)背面的轉(zhuǎn)子、定子和霍爾效應(yīng) IC。 與有刷電機(jī)不同，無(wú)刷電機(jī)使用專用的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)監(jiān)控電機(jī)的反饋，驅(qū)動(dòng)器使用晶體管對(duì)定子磁極進(jìn)行電激勵(lì)，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。它們也被稱為無(wú)刷直流電機(jī)或 BLDC 電機(jī)。Oriental Motor 使用術(shù)語(yǔ)“無(wú)刷電機(jī)”，因?yàn)槲覀優(yōu)檫@些電機(jī)提供交流或直流輸入驅(qū)動(dòng)器。右下角的圖像顯示了電機(jī)的正面。該電機(jī)有 6 個(gè)定子極(電磁鐵)和 4 個(gè)轉(zhuǎn)子極(永磁體)。

霍爾效應(yīng) IC 在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)感應(yīng)轉(zhuǎn)子中的永磁體，從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送回驅(qū)動(dòng)電路。然后，驅(qū)動(dòng)器使用這些數(shù)據(jù)來(lái)確定相位激勵(lì)的正確時(shí)間。反饋還用于調(diào)節(jié)電機(jī)速度。

下圖顯示了驅(qū)動(dòng)器的電源電路如何使用晶體管打開和關(guān)閉特定的繞組線圈。我們正在展示電機(jī)中帶有 U、V 和 W 繞組的 12 步晶體管勵(lì)磁序列。12 個(gè)步驟后，循環(huán)重復(fù)。

我們現(xiàn)在的大部分無(wú)刷電機(jī)都是10極電機(jī)?；魻栃?yīng) IC 的輸出分辨率是霍爾效應(yīng) IC 的數(shù)量 x 轉(zhuǎn)子極數(shù)，因此 3 個(gè) IC x 10 個(gè)極數(shù) = 每轉(zhuǎn) 30 個(gè)脈沖。一些無(wú)刷電機(jī)，例如 BXII 系列，為需要更高分辨率的應(yīng)用提供編碼器。

反饋

有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)之間的另一個(gè)明顯區(qū)別是需要反饋才能正常工作。來(lái)自其霍爾效應(yīng) IC 的反饋信號(hào)提供旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，并且對(duì)于相位激勵(lì)的正確計(jì)時(shí)是必要的。

高級(jí)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)提供一些簡(jiǎn)單的有刷電機(jī)控制器所不具備的獨(dú)特功能，例如存儲(chǔ)的速度配置文件和 RS-485 通信。無(wú)刷電機(jī)中的反饋和電流傳感器可以提供扭矩限制功能，可用于張緊應(yīng)用。盡管無(wú)刷電機(jī)的初始成本較高，但在選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)考慮其優(yōu)點(diǎn)。

速度控制性能

有刷和無(wú)刷電機(jī)都具有相似的性能。它們的速度轉(zhuǎn)矩曲線如下圖所示。對(duì)于有刷電機(jī)，可以通過(guò)改變電機(jī)的輸入電壓來(lái)控制速度和扭矩。但是，增加電壓有時(shí)會(huì)過(guò)度增加熱量并降低電機(jī)的占空比。

無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器限制其速度扭矩曲線以獲得最佳性能，因此您每次都可以期待同樣出色的性能。對(duì)于無(wú)刷電機(jī)，為了使電機(jī)旋轉(zhuǎn)得更快，驅(qū)動(dòng)器的勵(lì)磁序列需要加速。

總結(jié)/比較

你一定猜到我在電梯項(xiàng)目中使用了有刷電機(jī)。

雖然無(wú)刷電機(jī)要好得多，但有刷電機(jī)可以完成我簡(jiǎn)單的一次性項(xiàng)目。另外，我不知道如何構(gòu)建驅(qū)動(dòng)程序，而且我確實(shí)需要保持低成本。

下面總結(jié)一下有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)的區(qū)別。

雖然有刷電機(jī)操作簡(jiǎn)單且成本較低，但它們通常用于對(duì)長(zhǎng)期使用壽命或維護(hù)不是主要問題的應(yīng)用。

刷子始終處于接觸狀態(tài)，因此摩擦最終會(huì)使它們磨損，因此需要定期更換。這可能會(huì)要求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行不必要的更改，因?yàn)樾枰L問電機(jī)進(jìn)行維護(hù)。

無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部唯一接觸的部件是滾珠軸承，因此不需要定期維護(hù)。

無(wú)刷電機(jī)也比有刷直流電機(jī)更安靜，使用壽命更長(zhǎng)。 電刷換向也是電氣和音頻噪聲的主要來(lái)源，會(huì)影響其他電子信號(hào)或需要降噪措施。

電刷換向產(chǎn)生的火花限制了有刷電機(jī)可以安全運(yùn)行的環(huán)境。

由于無(wú)刷電機(jī)提供更高的功率效率，這些電機(jī)可以由于高扭矩重量比和更高的每瓦扭矩而更加緊湊。

最后，無(wú)刷電機(jī)中的霍爾效應(yīng)傳感器將速度調(diào)節(jié)到大約 +/-0.2%。對(duì)于編碼器，這會(huì)降低到 +/0.05%。

無(wú)刷電機(jī)比有刷電機(jī)更受歡迎。雖然有刷電機(jī)仍然普遍用于家用電器和汽車，但無(wú)刷電機(jī)的用途更為廣泛，適用于從傳送帶到 AGV 的廣泛應(yīng)用。

想了解更多?在本白皮書中將無(wú)刷和有刷電機(jī)與交流電機(jī)進(jìn)行比較。

審核編輯：湯梓紅