關於有刷直流電機,你需要了解這些

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關於有刷直流電機，你需要了解這些

發表於 2019-12-10 17:02:23

自從無刷直流電機誕生，「古老的」有刷電機就開始沒落，但它依然是低成本應用的可靠選擇。 在有刷電機中，磁極方向的跳轉是通過移動固定位置的接觸點來完成的，該接觸點在電機轉子上與電觸點相對連接。這種固定觸點通常由石墨製成，與銅或其他金屬相比，在大電流短路或斷路/起動過程中石墨不會熔斷或者與旋轉觸點焊接到一起，並且這個觸點通常是彈簧承載的，所以能夠獲得持續的接觸壓力。  

  在20世紀，大中型有刷電機在工業和先進位造領域中發揮著巨大的作用，直流電機的基本理論也被查爾斯·斯坦梅茨(Charles Steinmetz)等傑出人物廣泛分析，這包括詳細的，電動勢、磁場方程、性能參數(速度，扭矩，控制和效率)、設計、製造等。幾十年來，直流電機理論和與應用的課程幾乎是所有工科專業的標準課程，這些課程包含全面的小型和大型電動機實驗室課程。  
  由於使用MOSFET和IGBT作為電機的開關及其更加實用、更加經濟可靠的控制方式，早在幾十年前，有刷電機的優勢便開始衰落。取而代之的是無刷直流(BLDC)電機及其變體，如步進電機，這些電機逐漸成為主流的直流電機。現在，無數的，磁碟驅動器，印表機以及中小型設備等都使用了無刷直流電機。
    這種轉變的原因很顯然：使用開關器件，驅動器和智能控制器的先進設備使電機系統在效率、可靠性、電氣噪聲、可控性和多功能性等方面變得更優秀。這些BLDC電機沒有刷子磨損，也不會引起EMI / RFI。因此，隨著無刷替代品的使用，BDC電機的使用量急劇下降。  
  儘管從有刷電機到無刷電機發生了巨大的轉變，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，有刷電機依舊是一個很好的選擇。如便宜的玩具以及一些功能簡單的應用場合，如汽車的電動座椅等。    
更進一步的，綜合使用最新的控制器、MOSFET / IGBT開關，並且充分了解其局限性，就可以讓電極提供足夠好的性能。由於它們幾乎不需要電子控制裝置，所以整個電機控制系統相當便宜。此外，基本的BDC電機在和電機之間只需要兩根電纜，這樣就可以節省配線和連接器所需的空間，並降低電纜和連接器的成本。  
  有刷電機基礎
    所有電機(特殊的除外，例如壓電電機)的工作都依賴於定子與轉子電磁場之間的相互作用，這些電磁場被控制，從而周期性的在定子和轉子之間產生引力和斥力，進而引起運動，如圖1和圖2所示。

圖1：無刷直流電機外部磁場(由永磁體提供)，電刷，電樞上的換向器及運動原理。

圖2：有刷直流電機在其電樞上繞有大量的線圈，所產生強大的磁場與外部磁場(此處由永磁體提供)相互作用產生旋轉運動。圖片來源：Clemson University 

    基本的有刷電機已經完全機械化，不需要電子設備參與。控制也十分簡單：連接直流電源，電機自啟動然後旋轉。由於小接觸角度形成一個「死區」，所以有刷直流電機有著潛在的啟動問題，但這可以通過一些機械設計調整來解決。  
  要實現反向旋轉，只需將直流電源線對調，要調整運動速度(在有限的範圍內)，只需要升高或降低供電電壓。一般來說，BDC電機的轉速與其勵磁線圈的電動勢(EMF)成正比(EMF是施加於其上的電壓減去由於電阻損失的電壓)，而轉矩與電流成比例。
    那麼有刷電機是如何產生使其電樞旋轉所需的旋轉磁場，而無需外部控制器的呢?是電機自己完成這項工作的。在電機殼體上有一對180°分開的電刷，這對電刷通過兩個換向器觸點(金屬板)將施加的電流引導到電樞線圈上; 每個金屬板覆蓋近180°的電樞。當電機轉動時，電源，電刷，換向器金屬板和兩個電機線圈(繞組)之間的電流迴路每轉半圈就自動切換一次。
    電樞的磁場與轉子的磁場相互作用，轉子的磁場可以通過電機本體上的固定線圈產生，也可以通過永磁體產生。當轉子轉動時，其磁場方向也要反轉，從而電機保持轉動，因為線圈產生的磁場的方向是一直切換的，並且被外部線圈或永磁體產生的磁場吸引/排斥。     請注意，一直來，永磁體的使用範圍僅限於微型電機，例如玩具，因為在尺寸和重量都比較合理的情況下，磁體的強度並不足夠大。但是，使用稀土材料的高能量永磁體的發展改變了這個局面，這使得基於PM的BDC電機適用於大型電機，即使在分馬力範圍內也是如此。儘管由於外部勵磁線圈不需要電源而使得PM方法效率更高，但它會降低系統控制電機行為的自由度。無論是PM BDC電機還是勵磁線圈的設計，都需要權衡尺寸、成本、重量、控制需要等因素。
    超越基本有刷電機
    在基本形式中，BDC電機是優雅和簡單的典範。事實上，許多為年輕人提供的基礎科學工具都是使用一個簡單的拉絲馬達來展示電學和磁學的基本原理以及它們之間的相互作用是如何產生有效運動的，如圖3所示。這個過程不需要電子器件，並且所有的動作和電流路徑都是可見的。

圖3：沒有比這個學生項目版本更簡單電機了，它使用永磁體產生外部(定子)磁場，使用回形針作為電刷，使用小線圈作為電樞繞組線圈; 它直接通過運行。
    所討論的BDC電機是這樣的：簡單和基本。然而，鑑於這些電機的許多應用和規格已經被投入使用有100多年了，所以開發者也設計出許多新的變體來克服電機的某些弱點或者在特定應用中優化其性能。其中有許多變體集中於通過改變定子的勵磁線圈和電樞線圈。而一些其他的變體通過永久性或者暫時性添加電容器和電阻器來調整電壓，限制電流或者改變電壓/電流的相位關係。  
  在實踐中，大多數直流電機都不僅僅是兩個簡單版本電樞極的組合。除了其他好處外，更多的極點可使電機從任何旋轉角度更可靠地啟動(簡單版本有兩個小的死區)。而且，這樣的電機不允許瞬態短路電流通過，有些系統每轉允許有兩次短暫的短路電流通過，但是很多系統都不能做到這一點。  
  定子的勵磁線圈有多種配置，如圖4所示。最常見的配置是串聯繞組，分流繞組和複合繞組(串聯和分流的組合)。在串聯繞組式電動機中，勵磁線圈與電樞線圈(通過電刷)串聯; 在分流繞組式電動機中，勵磁線圈與電樞線圈並聯(「分流」是用於「並聯」的另一種表述方式)。

圖4 :(從左到右)在串聯繞組結構中，勵磁線圈S1-S2與電樞線圈A1-A2串聯; 對於分流繞組，勵磁線圈F1-F2與電樞線圈A1-A2並聯; 對於複合方式，勵磁線圈S1-S2串聯，F1-F2與電樞線圈A1-A2並聯。圖片來源：http://www.industrial-electronics.com    
每種布線方式都提供了不同的控制、速度性能以及扭矩，啟動和運行轉矩以及處理負載變化的能力。一些先進的設計對定子的勵磁繞組和轉子的電樞繞組使用獨立的勵磁控制，以獲得更大的靈活性和更嚴格的控制。
    有刷電機進入21世紀
    儘管BLDC電機有許多優點，但有刷電機仍然可用，並且其性能正在逐漸提高。雖然電機的設計方式在許多方面相對不變，但仍有兩個重要的發展：其一是永磁體得到了廣泛使用，另一個是IC和電子開關被用於線圈驅動和功能反饋。
    如圖5所示，Digilent 的290-008是6V BDC電機的一個例子。它包括一個1:53減速齒輪箱，用於提高扭矩，額定值為0.7 kgf-cm(最大值)。儘管電源連接只需要兩根導線，但電機/變速箱還帶有一個六引腳連接器。其他四個導線用於連接集成霍爾效應器對，該傳感器對用於表示轉數和方向，使用標準的A-B正交方法。

圖5：Digilent的290-008型6 V直流電機是基本有刷電機的一個很好的例子。它不但需要為電源分配導線，還包括一對霍爾效應器件和四個額外的電線，用於感應反饋控制所需的旋轉和方向。圖片來源：Digilent  
  該電機在6V電壓下自主運行時的空載電流為220mA，速度為150RPM; 125RPM情況下的滿載額定電流為480mA，失速電流為1.8A，轉矩為4.1kgf-cm。這個小型電機及齒輪箱(長度54mm，直徑22mm，加上連接器)的線圈電阻僅為3.3Ω。圖6的曲線圖顯示了在6V電源供電情況下五個關鍵參數之間的相互影響：1)轉矩，2)轉速，3)電流，4)輸出，5)效率。

圖6：該圖顯示了Digilent 的290-008電機的主要操作參數，以及它們在整個操作範圍內的變化情況。圖片來源：Digilent    
儘管無刷電機可以直接通過直流電源運行，但使用「合適的」驅動器件不僅能提供必要的驅動電流，而且還能提供幾乎每個電機子系統所需的各種保護功能。德州儀器(TI)DRV8412雙路全橋PWM電機驅動器是DRV8x系列集成電機驅動器中的一員，可處理兩個獨立的無刷電機(以及步進電機)。它具有很高的驅動效率(高達97%)，可以最大限度地減少散熱和相關問題，如圖7所示，它可以為電機提供2×7A(連續)或2×12A(峰值)的驅動電流。

圖7：德州儀器(TI)的DRV8412雙電機驅動器不僅能處理兩個獨立的有刷電機，還能為各種故障，過熱和過流情況提供保護。圖片來源：德州儀器     微型晶片(僅14.00mm×6.10mm)具有保護系統，能夠保護設備以免受到各種故障的損害。這些包括短路保護，過電流保護，欠壓保護和兩級熱保護。此外，它還有一個限流電路，可以防止在負載瞬變過程中設備因「錯誤」而關斷，比如電機啟動過程(相當於使用慢速熔斷器而不是快速熔斷器)。可編程過電流探測器可以調節電流限制和保護水平，以滿足不同的電機要求。
    該系列產品的每個半橋都有獨立的電源和接地引腳，這樣就可以通過外部分流電阻對電流進行測量，並且支持由不同電源電壓供電的多個電機同時使用。當兩個電機因尺寸不同而需要不同的電源電壓時，這樣的設計是非常有用的，例如廣告顯示屏需要小型電機揮動引人注目的標誌，同時需要更大的電機來旋轉整個顯示器。
    總結：    
毫無疑問，由於許多可靠的技術原因，直流供電的有刷電機在很大程度上已經被電子控制的無刷電機取代。儘管如此，在要求不高，對成本敏感的應用或者要求有限的情況下，有刷電機仍然是一個有效的方案。通過將有刷電機與基本電機驅動器IC相結合，有刷電機和最終產品就可以實現許多額外的操作並且擁有更好的保護措施。顯然，在沒有查看BDC電機的設計目標和屬性的情況下就認為無刷電機是正確的選擇，這樣的想法是目光短淺的表現。    

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