无刷与有刷直流电机如何何选择

 

无刷直流电机的工作原理与有刷电机相同，但它们的结构略有不同。代替机械换向器和电刷，定子的磁场通过使用电子换向旋转。这需要使用主动控制电子设备。

 

在无刷电机中，转子上固定有永磁体，定子上有绕组。无刷电机可以构造为转子在内侧，如上所示，或转子在绕组的外侧（有时称为“外转子”电机）。

 

无刷电机使用的绕组数称为相数。虽然无刷电机可以用不同的相数构建，但三相无刷电机是最常见的。一个例外是可能仅使用一相或两相的小型冷却风扇。

 

无刷电机的三个绕组以“星形”或“三角形”配置连接。在任何一种情况下，都有三根线连接到电机，驱动技术和波形是相同的。

对于三相，电动机可以构造为具有不同的磁性配置，称为磁极。最简单的三相电机有两个磁极：转子只有一对磁极，一个北一个南。电机也可以有更多的极数，这需要转子中有更多的磁性部分，定子中有更多的绕组。更高的极数可以提供更高的性能，尽管使用更少的极数可以更好地实现非常高的速度。

为了驱动三相无刷电机，三相中的每一相都需要能够被驱动到输入电源电压或接地。为此，使用了三个“半桥”驱动电路，每个电路由两个开关组成。开关可以是双极晶体管、IGBT 或 MOSFET，具体取决于所需的电压和电流。

有多种驱动技术可用于三相无刷电机。最简单的称为梯形、块状或 120 度换向。梯形换向有点类似于直流有刷电机中使用的换向方法。在该方案中，在任何给定时间，三相中的一相接地，一相开路，另一相驱动至电源电压。如果需要速度或转矩控制，通常连接到电源的相位是脉宽调制的。由于相位在每个换向点突然切换，而转子旋转是恒定的，随着电机旋转，扭矩（称为扭矩纹波）会发生一些变化。

 

为了获得更高的性能，可以使用其他换向方法。正弦或 180 度换向始终驱动电流通过所有三个电机相位。驱动电子设备通过每个相位产生一个正弦电流，每个相位彼此偏移 120 度。这种驱动技术最大限度地减少了转矩脉动以及噪声和振动，通常用于高性能或高效率驱动。

 

为了正确旋转磁场，控制电子设备需要知道转子上磁铁相对于定子的物理位置。通常，位置信息是使用安装在定子上的霍尔传感器获得的。当磁性转子转动时，霍尔传感器接收转子的磁场。驱动电子设备使用此信息使电流按顺序通过定子绕组，从而导致转子旋转。

使用三个霍尔传感器，梯形换向可以通过简单的组合逻辑实现，因此不需要复杂的控制电子设备。其他换向方法，如正弦换向，需要更复杂的控制电子设备，并且通常使用微控制器。

 

除了使用霍尔传感器提供位置反馈外，还有多种方法可用于在没有传感器的情况下确定转子位置。最简单的方法是在未驱动的相位上监测反电动势，以感应相对于定子的磁场。一种更复杂的控制算法，称为磁场定向控制或 FOC，根据转子电流和其他参数计算位置。FOC 通常需要相当强大的处理器，因为有许多计算必须非常快速地执行。当然，这比简单的梯形控制方法成本更高。

 

有刷和无刷电机：优点和缺点

 

根据您的应用，您可能会选择使用无刷电机而不是有刷电机。下表总结了每种电机类型的主要优点和缺点：

	有刷电机	无刷电机
寿命	短（刷子磨损）	长款（不用刷子）
速度和加速度	中等的	高的
效率	中等的	高的
电噪声	嘈杂（套管电弧）	安静的
声学噪声和扭矩纹波	贫穷的	中等（梯形）或良好（正弦）
成本	最低	中（添加电子设备）

 

寿命

如前所述，有刷电机的缺点之一是电刷和换向器存在机械磨损。碳刷尤其是牺牲品，在许多电机中，它们被设计为定期更换，作为维护计划的一部分。换向器的软铜也被电刷慢慢磨掉，最终达到电机不再运转的地步。由于无刷电机没有移动触点，它们不会受到这种磨损的影响。

速度和加速度

有刷电机的转速会受到电刷和换向器以及转子质量的限制。在非常高的速度下，电刷与换向器的接触会变得不稳定，并且电刷电弧会增加。大多数有刷电机还在转子中使用叠片铁芯，这使它们具有较大的转动惯量。这限制了电机的加速和减速率。可以在转子上构建具有非常强大的稀土磁铁的无刷电机，从而最大限度地减少转动惯量。当然，这增加了成本。

电噪声

电刷和换向器构成一种电气开关。当电机转动时，开关会打开和关闭，同时大量电流流过转子绕组，转子绕组是感性的。这导致触点处产生电弧。这会产生大量电噪声，这些噪声会耦合到敏感电路中。通过在电刷上添加电容器或 RC 缓冲器可以在一定程度上减轻电弧，但换向器的瞬时切换总是会产生一些电噪声。

噪音

有刷电机是“硬开关”——也就是说，电流突然从一个绕组移动到另一个绕组。当绕组打开和关闭时，产生的扭矩随着转子的旋转而变化。对于无刷电机，可以通过将电流从一个绕组逐渐过渡到另一个绕组的方式来控制绕组电流。这降低了转矩脉动，即能量在转子上的机械脉动。转矩脉动会导致振动和机械噪声，尤其是在低转子速度下。

成本

由于无刷电机需要更复杂的电子设备，因此无刷驱动器的总体成本高于有刷电机。尽管无刷电机比有刷电机制造更简单，但由于没有电刷和换向器，有刷电机技术非常成熟，制造成本低。随着无刷电机变得越来越流行，这种情况正在发生变化，尤其是在汽车电机等大批量应用中。此外，微控制器等电子产品的成本持续下降，这使得无刷电机更具吸引力。

 

概括

 

由于成本下降和性能更好，无刷电机在许多应用中越来越受欢迎。但仍有刷电机更有意义的地方。

 

从汽车中采用无刷电机可以学到很多东西。到 2020 年，大多数汽车运行时都会运行的电机（例如泵和风扇）已从有刷电机转向无刷电机，以提高可靠性。电机和电子设备的增加成本足以弥补较低的现场故障率和减少的维护要求。

 

另一方面，不常运行的电机——例如移动电动座椅和电动车窗的电机——仍然主要是有刷电机。原因是汽车在整个生命周期内的总运行时间非常小，并且电机在汽车的整个生命周期内发生故障的可能性很小。

 

随着无刷电机及其相关电子设备的成本不断降低，无刷电机正在寻求进入传统上由有刷电机持有的应用的方法。作为汽车领域的另一个例子，高端卡中的座椅调节电机一直采用无刷电机，因为它们产生的噪音较小。