无刷直流电机、有刷直流电机：该如何选择？

文章

Pete Millett

每月为您发送最具参考价值的行业文章

我们会保障您的隐私

介绍

许多运动控制应用都采用永磁直流电机。因为与交流电机相比，直流电机的控制系统更容易实现。因此，在需要控制速度、扭矩或位置时，通常都采用直流电机。

常用的直流电机有两种：有刷电机和无刷电机（或称BLDC电机）。顾名思义，有刷直流电机带有电刷，电刷可以使电机换向并旋转；而无刷电机则用电子控制取代了机械换向功能。

很多应用都是既可以使用有刷直流电机，也可以使用无刷直流电机。两种类型的电机基于相同的线圈和永磁体吸引与排斥原理，二者都具有各自的优缺点，可以根据应用需求进行具体选择。

有刷直流电机

有刷直流电机(图片来源：maxon集团)

直流电机使用绕线线圈来产生磁场。在有刷电机中，线圈可以自由旋转从而驱动轴，它们被称为“转子“。通常，线圈缠绕在铁芯上，当然也有“无芯“有刷电机，其绕组是自支撑的。

电机的固定部分称为“定子“。用于提供固定磁场的永磁体通常位于定子的内表面和转子的外部。

为了产生使转子旋转的扭矩，转子的磁场需要持续旋转，以使其磁场吸引并排斥定子的固定磁场。通常采用滑动式电子开关来使磁场旋转。该开关由换向器和固定电刷组成，换向器通常是安装在转子上的分片触点，而固定电刷则安装在定子上。

随着转子的转动，换向器不断地接通和断开不同的转子绕组，导致转子线圈不断被定子的固定磁体吸引和排斥，从而使转子旋转。

有刷电机的电刷和换向器之间存在机械摩擦，而且由于是电触点，通常无法润滑。因此电刷和换向器在电机的整个寿命周期内都存在机械磨损，并最终将导致电机无法工作。不过许多有刷电机（尤其是大型有刷电机）都有可更换的电刷，其电刷通常由碳制成，在磨损后也可保持良好的接触，这些电机都需要定期维护。但即使有可更换的电刷，换向器最终也会磨损到必须更换电机的程度。

要驱动有刷电机，需要在电刷两端施加直流电压，使电流流经转子绕组从而旋转电机。

如果一个有刷电机在应用中只需要向一个方向旋转，也无需控制速度或扭矩，则完全不需要驱动电子设备。在这类应用中，只需打开和关闭直流电压即可使电机运行或停止。这在电动玩具等低成本应用中很常见。如果需要反向旋转，则可以通过双极开关来实现。

如果需要控制速度、扭矩和方向，则采用由电子开关（晶体管、IGBT或MOSFET）组成的“ H桥”来驱动电机向任一方向旋转。施加到电机上的电压可以是任一极性，它使电机沿不同方向旋转。而通过调制开关脉冲的宽度可以控制电机的速度或扭矩。

无刷直流电机

无刷直流电机(图片来源：maxon集团)

无刷直流电机与有刷电机的磁吸和排斥原理相同，但结构略有不同。与有刷电机的机械换向器和电刷不同，无刷电机通过电子换向器实现定子的磁场旋转，而这需要使用主动控制电子设备。

I在无刷电机中，转子上附有永磁体，定子上则装有绕组。转子可以放在内侧（如上图所示），也可以放在绕组外侧（有时称为“外转式”电机）。

无刷电机中用到的绕组数称为相数，它可以有不同的相数，但最常见的是三相无刷电机。另外，如小型冷却风扇等可能就只有一相或两相。

无刷电机的三个绕组通常以“星形”或“三角形”方式连接。无论哪种连接，都有三根线连接到电机，而且其驱动技术和波形都是相同的。

三相电机可以构建不同的磁配置，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N极，一个S极。当然也可以有更多的磁极，这需要在转子中配置更多的磁性部分，并在定子中增加更多绕组。磁极越多，性能越高，但极数少可以实现更高的速度。

要驱动三相无刷电机，三相绕组每相需要在根据转子位置状态，运行在高电位或低电位上。为此，通常采用三个“半桥”驱动电路来实现驱动，每个驱动电路都由两个开关组成。根据所需的电压和电流，开关可以是双极型晶体管、IGBT或MOSFET。

三相无刷电机可以采用的驱动技术有很多，其中最简单的被称为梯形波驱动、方波驱动或120度换向控制。梯形换向有点类似于直流有刷电机中采用的换向方法：在任何给定时间，三相中都有一相接地、一相断开、另一相连至电源电压。如果需要控制速度或扭矩，则可以脉宽调制连接到电源电压的相位。由于相位在每个换向点突然切换，而转子的旋转是恒定的，因此扭矩会随着电机的旋转产生一些变化，这称为扭矩波动。

为了改善性能，也可以采用其他换向方法。如正弦或180度换向法可以始终驱动所有三个电机相位的电流。控制器控制驱动，使得三相无刷电机每相产生正弦电流，且每相之间的相移为120度。这种驱动技术可以最大程度地减小扭矩波动以及噪音和振动，通常用于高性能或高效率的驱动器。

要适当地旋转磁场，控制电子设备需要知道转子上的磁体相对于定子的物理位置。通常，这个位置信息通过安装在定子上的霍尔传感器获得。当磁性转子旋转时，霍尔传感器会拾取转子的磁场。驱动电子设备利用该信息，使电流按顺序流过定子绕组以使转子旋转。

采用三个霍尔传感器，通过简单的组合逻辑即可实现梯形换向，无需复杂的控制电子设备。而其他换向方法（例如正弦换向）则需要更复杂的控制电子设备，而且通常需要微控制器。

除了使用霍尔传感器提供位置反馈以外，还有很多方法可以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。还有一种更复杂的控制算法，称为磁场定向控制（FOC），它基于转子电流和其他参数来计算位置。FOC通常需要功能强大的处理器来快速执行许多计算，因此这种方法比简单的梯形控制法要昂贵很多。

有刷电机和无刷电机的优缺点

下表总结了两种电机类型的主要优缺点。根据应用需求，您可能更愿意选择无刷电机。

	有刷电机	无刷电机
使用寿命	短(电刷易磨损)	长(无电刷可磨损)
速度和加速度	中等	高
效率	中等	高
电气噪声	嘈杂 (电刷电弧)	安静
声学噪声& 扭矩波动	严重	中等(梯形换向) 或良好(正弦换向)
成本	最低	中等(添加了电子设备)

使用寿命

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。碳刷尤其是易耗品，在很多电机的维护计划中，都规定碳刷要定期更换。换向器的软铜也会被电刷慢慢磨损，并最终导致电机无法工作。而无刷电机没有运动触点，因此不存在这种磨损。

速度和加速度

有刷电机的转速会受到电刷、换向器以及转子质量的限制。在极高的速度下，电刷与换向器的接触会变得不稳定，并且电刷电弧会增大。大多数有刷电机在转子中还使用了叠片铁芯，这使它们具有较大的转动惯量，也限制了电机的加速和减速速率。在转子上采用高性能稀土磁体可以将转动惯量降至最低。当然，这会增加成本。

电气噪声

电刷和换向器形成了一种电气开关。当电机转动时，开关打开或闭合，大量电流流过电感转子绕组，并在触点处产生电弧。这些电弧会产生大量电气噪声，会耦合到敏感电路中。在电刷上增加电容或RC缓冲器可以一定程度上减轻电弧，但是换向器的瞬时切换仍然会产生一些电气噪声。

声学噪声

有刷电机是“硬切换”的，也就是说，电流是突然从一个绕组移动到另一个绕组。随着绕组的接通和断开，产生的扭矩随转子的旋转而变化，导致扭矩波动。而无刷电机可以控制绕组电流逐渐从一个绕组过渡到另一个绕组，这降低了扭矩波动。扭矩波动是能量在转子上的机械脉动，它会引起振动和机械噪声，尤其是在转子转速较低时更严重。