有刷和无刷直流电机的区别

我永远不会忘记我的第一个涉及电机的项目。

我在小学时为一个科学项目建造了一个小型电梯。当然，它在测试阶段工作得很好，但在计算时却失败了。我用木头建造了电梯井架，并使用了带绳索的滑轮系统来上下提升纸板箱。(这是在我学习齿轮/滑轮比之前，所以我的电梯更像是一个弹射座椅而不是电梯。)

对于运动控制，我在我的项目中使用了电池、开关和直流电机。长话短说 - 因为我太专注于测试，我的电池实际上在演示之前就没电了。事后看来，我应该在演示之前更换电池。老师仍然给了我一个不错的分数，因为有人目睹了电梯的工作并为我担保。

那是我第一次接触直流电机。你能猜出我用的是哪种直流电机吗?

直流电机的类型

有两种类型的直流电机 - 有刷和无刷。它们都是直流永磁电机，因为它们都使用分段式永磁转子。这些电机通常用于速度控制应用。

有司机还是没有司机?

第一个区别来自他们的名字。一个使用刷子，一个不使用。有刷直流电机也称为自换向直流电机。它的设计和结构允许它在没有驱动电路的情况下运行，我将在后面介绍。无刷直流电机不能自换向，因此需要一个驱动电路，该电路使用晶体管将电流引导至电机的不同绕组线圈。

设计与运营

电机按顺序为其定子中的一组电磁铁通电，以通过其永磁转子产生旋转。定子上的北极会吸引电机上的南极。这是所有永磁直流电机的运行原理。他们这样做的方式是不同的。

要理解为什么这些电机会像它们那样运行，我们需要了解它的设计。

以下是有刷电机和无刷电机的内部结构。在下图中，我们展示了一个在定子而不是转子中使用永磁体的有刷电机。有时，永磁体可能位于转子中，具体取决于制造商。通过在转子中设置绕组线圈，热量不会像在定子中设置绕组线圈那样散发热量。

左上图显示换向器和电刷。右下角的图像从前视图显示了相同的电机。 电机内部装有电刷形式的电极和换向器。 换向器随转子转动，定子静止不动。在此电机中，有两个永磁体磁极 - 北极和南极。

当电源连接到固定刷时，一组特定的电磁铁(线圈)在转子中通电，吸引下一个磁极并排斥定子的电流极。一旦转子旋转到下一组电磁铁，电刷就会机械地切换到转子中的下一组电磁铁。这个过程不断重复，直到电源断开。 可以通过切换电源的极性来改变电机的方向。

下图显示了一个无刷电机，其永磁体位于转子而不是定子上，这是我们制造的类型。这种设计的一个好处是，产生最多热量的定子绕组线圈可以比线圈位于中心的电机更快地散热。

左上图显示了电机背面的转子、定子和霍尔效应 IC。 与有刷电机不同，无刷电机使用专用的驱动电路来监控电机的反馈，驱动器使用晶体管对定子磁极进行电激励，从而使转子旋转。它们也被称为无刷直流电机或 BLDC 电机。Oriental Motor 使用术语“无刷电机”，因为我们为这些电机提供交流或直流输入驱动器。右下角的图像显示了电机的正面。该电机有 6 个定子极(电磁铁)和 4 个转子极(永磁体)。

霍尔效应 IC 在转子旋转时感应转子中的永磁体，从模拟转换为数字，然后将数据发送回驱动电路。然后，驱动器使用这些数据来确定相位激励的正确时间。反馈还用于调节电机速度。

下图显示了驱动器的电源电路如何使用晶体管打开和关闭特定的绕组线圈。我们正在展示电机中带有 U、V 和 W 绕组的 12 步晶体管励磁序列。12 个步骤后，循环重复。

我们现在的大部分无刷电机都是10极电机。霍尔效应 IC 的输出分辨率是霍尔效应 IC 的数量 x 转子极数，因此 3 个 IC x 10 个极数 = 每转 30 个脉冲。一些无刷电机，例如 BXII 系列，为需要更高分辨率的应用提供编码器。

反馈

有刷电机和无刷电机之间的另一个明显区别是需要反馈才能正常工作。来自其霍尔效应 IC 的反馈信号提供旋转数据，并且对于相位激励的正确计时是必要的。

高级无刷电机驱动器可能会提供一些简单的有刷电机控制器所不具备的独特功能，例如存储的速度配置文件和 RS-485 通信。无刷电机中的反馈和电流传感器可以提供扭矩限制功能，可用于张紧应用。尽管无刷电机的初始成本较高，但在选择电机时应考虑其优点。

速度控制性能

有刷和无刷电机都具有相似的性能。它们的速度转矩曲线如下图所示。对于有刷电机，可以通过改变电机的输入电压来控制速度和扭矩。但是，增加电压有时会过度增加热量并降低电机的占空比。

无刷电机驱动器限制其速度扭矩曲线以获得最佳性能，因此您每次都可以期待同样出色的性能。对于无刷电机，为了使电机旋转得更快，驱动器的励磁序列需要加速。

总结/比较

你一定猜到我在电梯项目中使用了有刷电机。

虽然无刷电机要好得多，但有刷电机可以完成我简单的一次性项目。另外，我不知道如何构建驱动程序，而且我确实需要保持低成本。

下面总结一下有刷电机和无刷电机的区别。

虽然有刷电机操作简单且成本较低，但它们通常用于对长期使用寿命或维护不是主要问题的应用。

刷子始终处于接触状态，因此摩擦最终会使它们磨损，因此需要定期更换。这可能会要求对设计进行不必要的更改，因为需要访问电机进行维护。

无刷电机内部唯一接触的部件是滚珠轴承，因此不需要定期维护。

无刷电机也比有刷直流电机更安静，使用寿命更长。 电刷换向也是电气和音频噪声的主要来源，会影响其他电子信号或需要降噪措施。

电刷换向产生的火花限制了有刷电机可以安全运行的环境。

由于无刷电机提供更高的功率效率，这些电机可以由于高扭矩重量比和更高的每瓦扭矩而更加紧凑。

最后，无刷电机中的霍尔效应传感器将速度调节到大约 +/-0.2%。对于编码器，这会降低到 +/0.05%。

无刷电机比有刷电机更受欢迎。虽然有刷电机仍然普遍用于家用电器和汽车，但无刷电机的用途更为广泛，适用于从传送带到 AGV 的广泛应用。

想了解更多?在本白皮书中将无刷和有刷电机与交流电机进行比较。

审核编辑：汤梓红