【導讀】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)驅動日趨復雜，需要尖端的電機技術的支持。本期大講臺將詳細解讀直流有刷電機和直流無刷電機的優(yōu)缺點、設計要素等相關內容。
直流電動機是依靠直流工作電壓運行的電動機，廣泛應用于收錄機、錄像機、影碟機、電動剃須刀、電吹風、電子表、玩具等。
有刷DC電機
刷式直流電機是現有歷史最久的電機拓撲之一。它們將固定刷子安裝在定子機座上，摩擦轉子上的換向片，而后者又連接至旋轉的線圈段。隨著電機旋轉，不同轉子線圈不斷連接和斷開，這樣轉子產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，從而產生扭矩。當換向片旋轉過刷子時，這些特定轉子線圈段的電觸頭將會斷開。由于轉子線圈是電感的，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生火花。這些火花會導致很多負面結果，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。這進一步降低了效率，需要定期維護更換刷子。
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)成本是主要驅動因素的應用中。在使用永久磁性生成定子磁通的拓撲中，產生的速度/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)伺服應用，速度和扭矩分別與所應用的電壓和電流成正比。但是，半導體器件的跌價使得電源轉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。在直流并聯電機中，定子線圈與轉子電路并聯；而在通用電機中，定子線圈與轉子串聯。通用電機在家電應用中尤其常用，因為它具有高啟動扭矩，可以高速運行。只需添加串聯晶閘管并進行交流相位控制，便可輕松對通用電機進行速度控制。但是，刷子/換向器結構常見于這些電機類型，因此它們具有標準 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生火花相關的劣勢。
圖題：無刷直流電機 (BLDC)
該電機被稱為直流電機，是因為其線圈通過直流電源驅動，而直流電源是按預定順序的形式應用到不同的定子線圈。 這一過程稱為換向。但是，BLDC 并不恰當，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交替。定子一般是凸極結構，旨在產生梯形反電動勢波形，盡可能符合所應用的換向電壓波形。但是實際上很難做到，產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（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于其如何驅動。不同于開環(huán)步進應用中驅動的定子線圈決定轉子位置，在 BLDC 電機中，轉子位置決定要驅動哪個定子線圈。定子磁通矢量位置必須與轉子磁通矢量位置保持同步（而非相反），以使電機操作順暢。要實現這一目的，需要了解轉子位置來確定要驅動的定子線圈。現有多種技術可實現這一目的，但最常用的技術是使用霍爾效應傳感器監(jiān)控轉子位置。遺憾的是，這些傳感器及其相關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，已有多種技術開發(fā)出來用于消除這些傳感器，進而實現無傳感器操作。 多數技術依靠在電機旋轉時，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在電機旋轉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，以在低轉速或零轉速時從其他信號中獲取轉子位置信息。
BLDC 電機在效率額定值方面占絕對優(yōu)勢，一般可達到 95% 左右。 當前對新非晶合金材料的研究正在將這一數字推向新高。已有報道稱 100W 范圍內效率為 96%。 BLDC 電機還在爭奪"世界最快電機"之稱，部分電機速度可達到數十萬 RPM（其中一項應用中已報道 400K RPM）。
最常用的 BLDC 電機拓撲使用 3 相定子結構。 因此，標準的 6 晶體管反向器是最常用的功率級，如圖所示。根據運行要求（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動晶體管來達到所需目標，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象，但可以通過調整將共振現象減小到最小程度。所以采用無刷電機驅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象。
d) 腳踏騎行時較費力，最好是電力驅動與腳踏助力相結合。
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有以下幾點：
最大扭矩：可以通過將負載扭矩、轉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：可以近似的認為是實際應用需要的持續(xù)輸出扭矩，由許多因素決定：最大扭矩、負載扭矩、轉動慣量、加速、減速及運行時間等。
轉速：這是有應用需求的轉速，可以根據電機的轉速梯形曲線來確定電機的轉速需求，通常計算時要留有10%的余量。
