【E課堂】有刷無(wú)刷DC電機特性及優(yōu)缺點(diǎn)

　　隨著(zhù)對低能耗、高安全性、高可靠性和精確控制的需求不斷提升，工業(yè)自動(dòng)化的工業(yè)驅動(dòng)日趨復雜，需要尖端的電機技術(shù)的支持。本期大講臺將詳細解讀直流有刷電機和直流無(wú)刷電機的優(yōu)缺點(diǎn)、設計要素等相關(guān)內容。

　　有刷DC電機

　　刷式直流電機是現有歷史最久的電機拓撲之一。它們將固定刷子安裝在定子機座上，摩擦轉子上的換向片，而后者又連接至旋轉的線(xiàn)圈段。隨著(zhù)電機旋轉，不同轉子線(xiàn)圈不斷連接和斷開(kāi)，這樣轉子產(chǎn)生的凈磁場(chǎng)相對于定子機座就是固定的，且通過(guò)定子磁場(chǎng)正確定向，從而產(chǎn)生扭矩。當換向片旋轉過(guò)刷子時(shí)，這些特定轉子線(xiàn)圈段的電觸頭將會(huì )斷開(kāi)。由于轉子線(xiàn)圈是電感的，而電感器生成高回掃電壓來(lái)抵抗電流變化，因此刷子和斷開(kāi)的換向片之間會(huì )產(chǎn)生火花。這些火花會(huì )導致很多負面結果，如電噪聲、效率降低，以及某些情況下的危險操作。此外，刷子必須安裝彈簧來(lái)抵抗換向片，以確保電接觸良好。這進(jìn)一步降低了效率，需要定期維護更換刷子。

　　盡管有諸多劣勢，但刷式直流電機有一顯著(zhù)優(yōu)勢：成本。由于控制刷式直流電機相對簡(jiǎn)單，因此還廣泛用于系統成本是主要驅動(dòng)因素的應用中。在使用永久磁性生成定子磁通的拓撲中，產(chǎn)生的速度/扭矩曲線(xiàn)非常有線(xiàn)性特征。因此，刷式直流電機歷來(lái)常用于工業(yè)伺服應用，速度和扭矩分別與所應用的電壓和電流成正比。但是，半導體器件的跌價(jià)使得電源轉換和控制的成本降低。因此，許多直流電機被交流電機所取代，后者帶來(lái)了效率和可靠性提高等優(yōu)勢。

　　刷式直流電機的主題多種多樣，如直流并聯(lián)電機和通用電機，兩者都使用定子線(xiàn)圈代替永久磁性。在直流并聯(lián)電機中，定子線(xiàn)圈與轉子電路并聯(lián);而在通用電機中，定子線(xiàn)圈與轉子串聯(lián)。通用電機在家電應用中尤其常用，因為它具有高啟動(dòng)扭矩，可以高速運行。只需添加串聯(lián)晶閘管并進(jìn)行交流相位控制，便可輕松對通用電機進(jìn)行速度控制。但是，刷子/換向器結構常見(jiàn)于這些電機類(lèi)型，因此它們具有標準 PM 刷式直流電機相同的劣勢。

　　無(wú)刷直流電機 (BLDC)

　　無(wú)刷直流(BLDC)電機可以想像成與刷式直流電機截然相反，其中永久磁性在轉子上，而繞線(xiàn)在定子上。因此，該電機沒(méi)有刷子和換向器，消除了與刷式直流電機產(chǎn)生火花相關(guān)的劣勢。

　　圖題：無(wú)刷直流電機 (BLDC)

　　該電機被稱(chēng)為直流電機，是因為其線(xiàn)圈通過(guò)直流電源驅動(dòng)，而直流電源是按預定順序的形式應用到不同的定子線(xiàn)圈。 這一過(guò)程稱(chēng)為換向。但是，BLDC 并不恰當，因為該電機實(shí)際上屬于交流電機。 在電路循環(huán)過(guò)程中，每個(gè)線(xiàn)圈中的電流正負交替。定子一般是凸極結構，旨在產(chǎn)生梯形反電動(dòng)勢波形，盡可能符合所應用的換向電壓波形。但是實(shí)際上很難做到，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形通常更像正弦，而非梯形。因此，PMSM 電機使用的許多控制技術(shù)(如場(chǎng)定向控制)同樣適用于 BLDC 電機。

　　對BLDC電機的另一個(gè)誤解是關(guān)于其如何驅動(dòng)。不同于開(kāi)環(huán)步進(jìn)應用中驅動(dòng)的定子線(xiàn)圈決定轉子位置，在 BLDC 電機中，轉子位置決定要驅動(dòng)哪個(gè)定子線(xiàn)圈。定子磁通矢量位置必須與轉子磁通矢量位置保持同步(而非相反)，以使電機操作順暢。要實(shí)現這一目的，需要了解轉子位置來(lái)確定要驅動(dòng)的定子線(xiàn)圈?，F有多種技術(shù)可實(shí)現這一目的，但最常用的技術(shù)是使用霍爾效應傳感器監控轉子位置。遺憾的是，這些傳感器及其相關(guān)連接器和線(xiàn)束會(huì )增加系統成本，并降低可靠性。

　　為減少這些問(wèn)題，已有多種技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)用于消除這些傳感器，進(jìn)而實(shí)現無(wú)傳感器操作。 多數技術(shù)依靠在電機旋轉時(shí)，從定子繞線(xiàn)的反電動(dòng)勢波形中提取位置信息。 但是，依靠反電動(dòng)勢傳感的技術(shù)在電機旋轉緩慢或靜止時(shí)便無(wú)用武之地，因為此時(shí)反電動(dòng)勢波形很弱或根本不存在。因此，我們不斷開(kāi)發(fā)新技術(shù)，以在低轉速或零轉速時(shí)從其他信號中獲取轉子位置信息。

　　BLDC 電機在效率額定值方面占絕對優(yōu)勢，一般可達到 95% 左右。 當前對新非晶合金材料的研究正在將這一數字推向新高。已有報道稱(chēng) 100W 范圍內效率為 96%。 BLDC 電機還在爭奪"世界最快電機"之稱(chēng)，部分電機速度可達到數十萬(wàn) RPM(其中一項應用中已報道 400K RPM)。

　　最常用的 BLDC 電機拓撲使用 3 相定子結構。 因此，標準的 6 晶體管反向器是最常用的功率級，如圖所示。根據運行要求(有傳感器與無(wú)傳感器、換向與正弦、PWM 與 SVM 等)，有很多不同的方法可驅動(dòng)晶體管來(lái)達到所需目標，此處不一一列舉。這對一般位于微控制器中的 PWM 發(fā)生器的靈活性提出了極高要求。

　　有刷電機優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　a) 變速平穩，幾乎感覺(jué)不到振動(dòng);

　　b) 溫升低，可靠性好;

　　c) 價(jià)格低，所以被較多廠(chǎng)家選用。

　　缺點(diǎn)：

　　a) 碳刷易磨損，更換較為麻煩，壽命短;

　　b) 運行電流大，電機磁鋼易退磁，降低了電機與電池的作用壽命。

　　無(wú)刷電機的優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　a) 電子換向來(lái)代替傳統的機械換向，性能可靠、永無(wú)磨損、故障率低，壽命比有刷電機提高了約6倍，代表了電動(dòng)車(chē)的發(fā)展方向;

　　b) 屬靜態(tài)電機，空載電流小;

　　c) 效率高;

　　d) 體積小。

　　缺點(diǎn)：

　　a) 低速起動(dòng)時(shí)有輕微振動(dòng)，如速度加大換相頻率增大，就感覺(jué)不到振動(dòng)現象了;

　　b) 價(jià)格高，控制器要求高;

　　c) 易形成共振，因為任何一件東西都有一個(gè)固有振動(dòng)頻率，如果無(wú)刷電機的振動(dòng)頻率與車(chē)架或塑料件的振動(dòng)頻率相同或接近時(shí)就容易形成共振現象，但可以通過(guò)調整將共振現象減小到最小程度。所以采用無(wú)刷電機驅動(dòng)的電動(dòng)車(chē)有時(shí)會(huì )發(fā)出一種嗡嗡的聲音是一種正常的現象。

　　d) 腳踏騎行時(shí)較費力，最好是電力驅動(dòng)與腳踏助力相結合。

　　無(wú)刷直流電機選型

　　無(wú)刷直流電機選型時(shí)需參考的主要參數有以下幾點(diǎn)：

　　最大扭矩：可以通過(guò)將負載扭矩、轉動(dòng)慣量和摩擦力相加得到，另外，還有一些額外的因素影響最大扭矩如氣隙空氣的阻力等。

　　平方模扭矩：可以近似的認為是實(shí)際應用需要的持續輸出扭矩，由許多因素決定：最大扭矩、負載扭矩、轉動(dòng)慣量、加速、減速及運行時(shí)間等。

　　轉速：這是有應用需求的轉速，可以根據電機的轉速梯形曲線(xiàn)來(lái)確定電機的轉速需求，通常計算時(shí)要留有10%的余量。