关于有刷直流电机结构分析

在实践中，大多数直流电机都不仅仅是两个简单版本电枢极的组合。除了其他好处外，更多的极点可使电机从任何旋转角度更可靠地启动（简单版本有两个小的死区）。而且，这样的电机不允许瞬态短路电流通过，有些系统每转允许有两次短暂的短路电流通过，但是很多系统都不能做到这一点。

定子的励磁线圈有多种配置，如图4所示。最常见的配置是串联绕组，分流绕组和复合绕组（串联和分流的组合）。在串联绕组式电动机中，励磁线圈与电枢线圈（通过电刷）串联; 在分流绕组式电动机中，励磁线圈与电枢线圈并联（“分流”是用于“并联”的另一种表述方式）。

图4

图4 :(从左到右）在串联绕组结构中，励磁线圈S1-S2与电枢线圈A1-A2串联; 对于分流绕组，励磁线圈F1-F2与电枢线圈A1-A2并联; 对于复合方式，励磁线圈S1-S2串联，F1-F2与电枢线圈A1-A2并联。图片来源：http://www.industrial-electronics.com

每种布线方式都提供了不同的控制、速度性能以及扭矩，启动和运行转矩以及处理负载变化的能力。一些先进的设计对定子的励磁绕组和转子的电枢绕组使用独立的励磁控制，以获得更大的灵活性和更严格的控制。

有刷电机进入21世纪

尽管BLDC电机有许多优点，但有刷电机仍然可用，并且其性能正在逐渐提高。虽然电机的设计方式在许多方面相对不变，但仍有两个重要的发展：其一是永磁体得到了广泛使用，另一个是IC和电子开关被用于线圈驱动和功能反馈。

如图5所示，Digilent 的290-008是6V BDC电机的一个例子。它包括一个1:53减速齿轮箱，用于提高扭矩，额定值为0.7 kgf-cm（最大值）。尽管电源连接只需要两根导线，但电机/变速箱还带有一个六引脚连接器。其他四个导线用于连接集成霍尔效应传感器对，该传感器对用于表示转数和方向，使用标准的A-B正交方法。

图5

图5：Digilent的290-008型6 V直流电机是基本有刷电机的一个很好的例子。它不但需要为电源分配导线，还包括一对霍尔效应器件和四个额外的电线，用于感应反馈控制所需的旋转和方向。图片来源：Digilent

该电机在6V电压下自主运行时的空载电流为220mA，速度为150RPM; 125RPM情况下的满载额定电流为480mA，失速电流为1.8A，转矩为4.1kgf-cm。这个小型电机及齿轮箱（长度54mm，直径22mm，加上连接器）的线圈电阻仅为3.3Ω。图6的曲线图显示了在6V电源供电情况下五个关键参数之间的相互影响：

1）转矩，2）转速，3）电流，4）输出功率，5）效率。

图6

图6：该图显示了Digilent 的290-008电机的主要操作参数，以及它们在整个操作范围内的变化情况。图片来源：Digilent

尽管无刷电机可以直接通过直流电源运行，但使用“合适的”驱动器件不仅能提供必要的驱动电流，而且还能提供几乎每个电机子系统所需的各种保护功能。德州仪器（TI）DRV8412双路全桥PWM电机驱动器是DRV8x系列集成电机驱动器中的一员，可处理两个独立的无刷电机（以及步进电机）。它具有很高的驱动效率（高达97％），可以最大限度地减少散热和相关问题，如图7所示，它可以为电机提供2×7A（连续）或2×12A（峰值）的驱动电流。

图7

图7：德州仪器（TI）的DRV8412双电机驱动器不仅能处理两个独立的有刷电机，还能为各种故障，过热和过流情况提供保护。 图片来源：德州仪器

微型芯片（仅14.00mm×6.10mm）具有保护系统，能够保护设备以免受到各种故障的损害。这些包括短路保护，过电流保护，欠压保护和两级热保护。此外，它还有一个限流电路，可以防止在负载瞬变过程中设备因“错误”而关断，比如电机启动过程（相当于使用慢速熔断器而不是快速熔断器）。可编程过电流探测器可以调节电流限制和保护水平，以满足不同的电机要求。

该系列产品的每个半桥都有独立的电源和接地引脚，这样就可以通过外部分流电阻对电流进行测量，并且支持由不同电源电压供电的多个电机同时使用。当两个电机因尺寸不同而需要不同的电源电压时，这样的设计是非常有用的，例如广告显示屏需要小型电机挥动引人注目的标志，同时需要更大的电机来旋转整个显示器。

总结：

毫无疑问，由于许多可靠的技术原因，直流供电的有刷电机在很大程度上已经被电子控制的无刷电机取代。尽管如此，在要求不高，对成本敏感的应用或者要求有限的情况下，有刷电机仍然是一个有效的方案。通过将有刷电机与基本电机驱动器IC相结合，有刷电机和最终产品就可以实现许多额外的操作并且拥有更好的保护措施。显然，在没有查看BDC电机的设计目标和属性的情况下就认为无刷电机是正确的选择，这样的想法是目光短浅的表现。