關(guān)于有刷直流電機(jī)性能分析

自從無(wú)刷直流電機(jī)誕生，“古老的”有刷電機(jī)就開始沒落，但它依然是低成本應(yīng)用的可靠選擇。

在有刷電機(jī)中，磁極方向的跳轉(zhuǎn)是通過(guò)移動(dòng)固定位置的接觸點(diǎn)來(lái)完成的，該接觸點(diǎn)在電機(jī)轉(zhuǎn)子上與電觸點(diǎn)相對(duì)連接。這種固定觸點(diǎn)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(dòng)過(guò)程中石墨不會(huì)熔斷或者與旋轉(zhuǎn)觸點(diǎn)焊接到一起，并且這個(gè)觸點(diǎn)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(jì)，大中型有刷電機(jī)在工業(yè)和先進(jìn)制造領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用，直流電機(jī)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(xì)的電路，電動(dòng)勢(shì)、磁場(chǎng)方程、性能參數(shù)（速度，扭矩，控制和效率）、設(shè)計(jì)、制造等。幾十年來(lái)，直流電機(jī)理論和與應(yīng)用的課程幾乎是所有工科專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)課程，這些課程包含全面的小型和大型電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室課程。

由于使用MOSFET和IGBT作為電機(jī)的開關(guān)及其更加實(shí)用、更加經(jīng)濟(jì)可靠的控制方式，早在幾十年前，有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)便開始衰落。取而代之的是無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)及其變體，如步進(jìn)電機(jī)，這些電機(jī)逐漸成為主流的直流電機(jī)?，F(xiàn)在，無(wú)數(shù)的汽車，磁盤驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)以及中小型設(shè)備等都使用了無(wú)刷直流電機(jī)。

這種轉(zhuǎn)變的原因很顯然：

使用開關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)器和智能控制器的先進(jìn)電子設(shè)備使電機(jī)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(jī)沒有刷子磨損，也不會(huì)引起EMI / RFI。因此，隨著無(wú)刷替代品的使用，BDC電機(jī)的使用量急劇下降。

盡管從有刷電機(jī)到無(wú)刷電機(jī)發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)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(jī)依舊是一個(gè)很好的選擇。如便宜的玩具以及一些功能簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，如汽車的電動(dòng)座椅等。

更進(jìn)一步的，綜合使用最新的控制器、MOSFET / IGBT開關(guān)，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(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)相當(dāng)便宜。此外，基本的BDC電機(jī)在電源和電機(jī)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(jī)基礎(chǔ)

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

圖1：無(wú)刷直流電機(jī)外部磁場(chǎng)（由永磁體提供），電刷，電樞上的換向器及運(yùn)動(dòng)原理。圖片來(lái)源：http://www.cyberphysics.co.uk

圖2：有刷直流電機(jī)在其電樞上繞有大量的線圈，所產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)（此處由永磁體提供）相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖片來(lái)源：Clemson University

基本的有刷電機(jī)已經(jīng)完全機(jī)械化，不需要電子設(shè)備參與?？刂埔彩趾?jiǎn)單：連接直流電源，電機(jī)自啟動(dòng)然后旋轉(zhuǎn)。由于小接觸角度形成一個(gè)“死區(qū)”，所以有刷直流電機(jī)有著潛在的啟動(dòng)問(wèn)題，但這可以通過(guò)一些機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)整來(lái)解決。

要實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，只需將直流電源線對(duì)調(diào)，要調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度（在有限的范圍內(nèi)），只需要升高或降低供電電壓。一般來(lái)說(shuō)，BDC電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其勵(lì)磁線圈的電動(dòng)勢(shì)（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(zhuǎn)矩與電流成比例。

那么有刷電機(jī)是如何產(chǎn)生使其電樞旋轉(zhuǎn)所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而無(wú)需外部控制器的呢？

是電機(jī)自己完成這項(xiàng)工作的。在電機(jī)殼體上有一對(duì)180°分開的電刷，這對(duì)電刷通過(guò)兩個(gè)換向器觸點(diǎn)（金屬板）將施加的電流引導(dǎo)到電樞線圈上; 每個(gè)金屬板覆蓋近180°的電樞。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電源，電刷，換向器金屬板和兩個(gè)電機(jī)線圈（繞組）之間的電流回路每轉(zhuǎn)半圈就自動(dòng)切換一次。

電樞的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)可以通過(guò)電機(jī)本體上的固定線圈產(chǎn)生，也可以通過(guò)永磁體產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其磁場(chǎng)方向也要反轉(zhuǎn)，從而電機(jī)保持轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)榫€圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(chǎng)吸引/排斥。

請(qǐng)注意

一直來(lái)，永磁體的使用范圍僅限于微型電機(jī)，例如玩具，因?yàn)樵诔叽绾椭亓慷急容^合理的情況下，磁體的強(qiáng)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(gè)局面，這使得基于PM的BDC電機(jī)適用于大型電機(jī)，即使在分馬力范圍內(nèi)也是如此。盡管由于外部勵(lì)磁線圈不需要電源而使得PM方法效率更高，但它會(huì)降低系統(tǒng)控制電機(jī)行為的自由度。無(wú)論是PM BDC電機(jī)還是勵(lì)磁線圈的設(shè)計(jì)，都需要權(quán)衡尺寸、成本、重量、控制需要等因素。

超越基本有刷電機(jī)

在基本形式中，BDC電機(jī)是優(yōu)雅和簡(jiǎn)單的典范。事實(shí)上，許多為年輕人提供的基礎(chǔ)科學(xué)工具都是使用一個(gè)簡(jiǎn)單的拉絲馬達(dá)來(lái)展示電學(xué)和磁學(xué)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(yùn)動(dòng)的，如圖3所示。這個(gè)過(guò)程不需要電子器件，并且所有的動(dòng)作和電流路徑都是可見的。

圖3：沒有比這個(gè)學(xué)生項(xiàng)目版本更簡(jiǎn)單電機(jī)了，它使用永磁體產(chǎn)生外部（定子）磁場(chǎng)，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(guò)電池運(yùn)行。

所討論的BDC電機(jī)是這樣的：

簡(jiǎn)單和基本。然而，鑒于這些電機(jī)的許多應(yīng)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(shè)計(jì)出許多新的變體來(lái)克服電機(jī)的某些弱點(diǎn)或者在特定應(yīng)用中優(yōu)化其性能。其中有許多變體集中于通過(guò)改變定子的勵(lì)磁線圈和電樞線圈。而一些其他的變體通過(guò)永久性或者暫時(shí)性添加電容器和電阻器來(lái)調(diào)整電壓，限制電流或者改變電壓/電流的相位關(guān)系。