關于有刷直流電機性能分析

自從無刷直流電機誕生，“古老的”有刷電機就開始沒落，但它依然是低成本應用的可靠選擇。

在有刷電機中，磁極方向的跳轉是通過移動固定位置的接觸點來完成的，該接觸點在電機轉子上與電觸點相對連接。這種固定觸點通常由石墨制成，與銅或其他金屬相比，在大電流短路或斷路/起動過程中石墨不會熔斷或者與旋轉觸點焊接到一起，并且這個觸點通常是彈簧承載的，所以能夠獲得持續(xù)的接觸壓力。

在20世紀，大中型有刷電機在工業(yè)和先進制造領域中發(fā)揮著巨大的作用，直流電機的基本理論也被查爾斯?斯坦梅茨（Charles Steinmetz）等杰出人物廣泛分析，這包括詳細的電路，電動勢、磁場方程、性能參數(shù)（速度，扭矩，控制和效率）、設計、制造等。幾十年來，直流電機理論和與應用的課程幾乎是所有工科專業(yè)的標準課程，這些課程包含全面的小型和大型電動機實驗室課程。

由于使用MOSFET和IGBT作為電機的開關及其更加實用、更加經(jīng)濟可靠的控制方式，早在幾十年前，有刷電機的優(yōu)勢便開始衰落。取而代之的是無刷直流（BLDC）電機及其變體，如步進電機，這些電機逐漸成為主流的直流電機?，F(xiàn)在，無數(shù)的汽車，磁盤驅動器，打印機以及中小型設備等都使用了無刷直流電機。

這種轉變的原因很顯然：

使用開關器件，驅動器和智能控制器的先進電子設備使電機系統(tǒng)在效率、可靠性、電氣噪聲、可控性和多功能性等方面變得更優(yōu)秀。這些BLDC電機沒有刷子磨損，也不會引起EMI / RFI。因此，隨著無刷替代品的使用，BDC電機的使用量急劇下降。

盡管從有刷電機到無刷電機發(fā)生了巨大的轉變，但在能夠滿足必要的性能，低成本和足夠的可靠性的前提下，有刷電機依舊是一個很好的選擇。如便宜的玩具以及一些功能簡單的應用場合，如汽車的電動座椅等。

更進一步的，綜合使用最新的控制器、MOSFET / IGBT開關，并且充分了解其局限性，就可以讓電極提供足夠好的性能。由于它們幾乎不需要電子控制裝置，所以整個電機控制系統(tǒng)相當便宜。此外，基本的BDC電機在電源和電機之間只需要兩根電纜，這樣就可以節(jié)省配線和連接器所需的空間，并降低電纜和連接器的成本。

有刷電機基礎

所有電機（特殊的除外，例如壓電電機）的工作都依賴于定子與轉子電磁場之間的相互作用，這些電磁場被控制，從而周期性的在定子和轉子之間產(chǎn)生引力和斥力，進而引起運動，如圖1和圖2所示。

圖1：無刷直流電機外部磁場（由永磁體提供），電刷，電樞上的換向器及運動原理。圖片來源：http://www.cyberphysics.co.uk

圖2：有刷直流電機在其電樞上繞有大量的線圈，所產(chǎn)生強大的磁場與外部磁場（此處由永磁體提供）相互作用產(chǎn)生旋轉運動。圖片來源：Clemson University

基本的有刷電機已經(jīng)完全機械化，不需要電子設備參與?？刂埔彩趾唵危哼B接直流電源，電機自啟動然后旋轉。由于小接觸角度形成一個“死區(qū)”，所以有刷直流電機有著潛在的啟動問題，但這可以通過一些機械設計調整來解決。

要實現(xiàn)反向旋轉，只需將直流電源線對調，要調整運動速度（在有限的范圍內），只需要升高或降低供電電壓。一般來說，BDC電機的轉速與其勵磁線圈的電動勢（EMF）成正比（EMF是施加于其上的電壓減去由于電阻損失的電壓），而轉矩與電流成比例。

那么有刷電機是如何產(chǎn)生使其電樞旋轉所需的旋轉磁場，而無需外部控制器的呢？

是電機自己完成這項工作的。在電機殼體上有一對180°分開的電刷，這對電刷通過兩個換向器觸點（金屬板）將施加的電流引導到電樞線圈上; 每個金屬板覆蓋近180°的電樞。當電機轉動時，電源，電刷，換向器金屬板和兩個電機線圈（繞組）之間的電流回路每轉半圈就自動切換一次。

電樞的磁場與轉子的磁場相互作用，轉子的磁場可以通過電機本體上的固定線圈產(chǎn)生，也可以通過永磁體產(chǎn)生。當轉子轉動時，其磁場方向也要反轉，從而電機保持轉動，因為線圈產(chǎn)生的磁場的方向是一直切換的，并且被外部線圈或永磁體產(chǎn)生的磁場吸引/排斥。

請注意

一直來，永磁體的使用范圍僅限于微型電機，例如玩具，因為在尺寸和重量都比較合理的情況下，磁體的強度并不足夠大。但是，使用稀土材料的高能量永磁體的發(fā)展改變了這個局面，這使得基于PM的BDC電機適用于大型電機，即使在分馬力范圍內也是如此。盡管由于外部勵磁線圈不需要電源而使得PM方法效率更高，但它會降低系統(tǒng)控制電機行為的自由度。無論是PM BDC電機還是勵磁線圈的設計，都需要權衡尺寸、成本、重量、控制需要等因素。

超越基本有刷電機

在基本形式中，BDC電機是優(yōu)雅和簡單的典范。事實上，許多為年輕人提供的基礎科學工具都是使用一個簡單的拉絲馬達來展示電學和磁學的基本原理以及它們之間的相互作用是如何產(chǎn)生有效運動的，如圖3所示。這個過程不需要電子器件，并且所有的動作和電流路徑都是可見的。

圖3：沒有比這個學生項目版本更簡單電機了，它使用永磁體產(chǎn)生外部（定子）磁場，使用回形針作為電刷，使用小線圈作為電樞繞組線圈; 它直接通過電池運行。

所討論的BDC電機是這樣的：

簡單和基本。然而，鑒于這些電機的許多應用和規(guī)格已經(jīng)被投入使用有100多年了，所以開發(fā)者也設計出許多新的變體來克服電機的某些弱點或者在特定應用中優(yōu)化其性能。其中有許多變體集中于通過改變定子的勵磁線圈和電樞線圈。而一些其他的變體通過永久性或者暫時性添加電容器和電阻器來調整電壓，限制電流或者改變電壓/電流的相位關系。