【E課堂】有刷無(wú)刷DC電機(jī)特性及優(yōu)缺點(diǎn)

　　隨著對(duì)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(qū)動(dòng)日趨復(fù)雜，需要尖端的電機(jī)技術(shù)的支持。本期大講臺(tái)將詳細(xì)解讀直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)、設(shè)計(jì)要素等相關(guān)內(nèi)容。

　　有刷DC電機(jī)

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

　　盡管有諸多劣勢(shì)，但刷式直流電機(jī)有一顯著優(yōu)勢(shì)：成本。由于控制刷式直流電機(jī)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此還廣泛用于系統(tǒng)成本是主要驅(qū)動(dòng)因素的應(yīng)用中。在使用永久磁性生成定子磁通的拓?fù)渲校a(chǎn)生的速度/扭矩曲線非常有線性特征。因此，刷式直流電機(jī)歷來常用于工業(yè)伺服應(yīng)用，速度和扭矩分別與所應(yīng)用的電壓和電流成正比。但是，半導(dǎo)體器件的跌價(jià)使得電源轉(zhuǎn)換和控制的成本降低。因此，許多直流電機(jī)被交流電機(jī)所取代，后者帶來了效率和可靠性提高等優(yōu)勢(shì)。

　　刷式直流電機(jī)的主題多種多樣，如直流并聯(lián)電機(jī)和通用電機(jī)，兩者都使用定子線圈代替永久磁性。在直流并聯(lián)電機(jī)中，定子線圈與轉(zhuǎn)子電路并聯(lián);而在通用電機(jī)中，定子線圈與轉(zhuǎn)子串聯(lián)。通用電機(jī)在家電應(yīng)用中尤其常用，因?yàn)樗哂懈邌?dòng)扭矩，可以高速運(yùn)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(duì)通用電機(jī)進(jìn)行速度控制。但是，刷子/換向器結(jié)構(gòu)常見于這些電機(jī)類型，因此它們具有標(biāo)準(zhǔn) PM 刷式直流電機(jī)相同的劣勢(shì)。

　　無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC)

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

　　圖題：無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC)

　　該電機(jī)被稱為直流電機(jī)，是因?yàn)槠渚€圈通過直流電源驅(qū)動(dòng)，而直流電源是按預(yù)定順序的形式應(yīng)用到不同的定子線圈。 這一過程稱為換向。但是，BLDC 并不恰當(dāng)，因?yàn)樵撾姍C(jī)實(shí)際上屬于交流電機(jī)。 在電路循環(huán)過程中，每個(gè)線圈中的電流正負(fù)交替。定子一般是凸極結(jié)構(gòu)，旨在產(chǎn)生梯形反電動(dòng)勢(shì)波形，盡可能符合所應(yīng)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(shì)波形通常更像正弦，而非梯形。因此，PMSM 電機(jī)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(jī)。

　　對(duì)BLDC電機(jī)的另一個(gè)誤解是關(guān)于其如何驅(qū)動(dòng)。不同于開環(huán)步進(jìn)應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)的定子線圈決定轉(zhuǎn)子位置，在 BLDC 電機(jī)中，轉(zhuǎn)子位置決定要驅(qū)動(dòng)哪個(gè)定子線圈。定子磁通矢量位置必須與轉(zhuǎn)子磁通矢量位置保持同步(而非相反)，以使電機(jī)操作順暢。要實(shí)現(xiàn)這一目的，需要了解轉(zhuǎn)子位置來確定要驅(qū)動(dòng)的定子線圈。現(xiàn)有多種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)這一目的，但最常用的技術(shù)是使用霍爾效應(yīng)傳感器監(jiān)控轉(zhuǎn)子位置。遺憾的是，這些傳感器及其相關(guān)連接器和線束會(huì)增加系統(tǒng)成本，并降低可靠性。

　　為減少這些問題，已有多種技術(shù)開發(fā)出來用于消除這些傳感器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器操作。 多數(shù)技術(shù)依靠在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，從定子繞線的反電動(dòng)勢(shì)波形中提取位置信息。 但是，依靠反電動(dòng)勢(shì)傳感的技術(shù)在電機(jī)旋轉(zhuǎn)緩慢或靜止時(shí)便無(wú)用武之地，因?yàn)榇藭r(shí)反電動(dòng)勢(shì)波形很弱或根本不存在。因此，我們不斷開發(fā)新技術(shù)，以在低轉(zhuǎn)速或零轉(zhuǎn)速時(shí)從其他信號(hào)中獲取轉(zhuǎn)子位置信息。

　　BLDC 電機(jī)在效率額定值方面占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，一般可達(dá)到 95% 左右。 當(dāng)前對(duì)新非晶合金材料的研究正在將這一數(shù)字推向新高。已有報(bào)道稱 100W 范圍內(nèi)效率為 96%。 BLDC 電機(jī)還在爭(zhēng)奪"世界最快電機(jī)"之稱，部分電機(jī)速度可達(dá)到數(shù)十萬(wàn) RPM(其中一項(xiàng)應(yīng)用中已報(bào)道 400K RPM)。

　　最常用的 BLDC 電機(jī)拓?fù)涫褂?3 相定子結(jié)構(gòu)。 因此，標(biāo)準(zhǔn)的 6 晶體管反向器是最常用的功率級(jí)，如圖所示。根據(jù)運(yùn)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(qū)動(dòng)晶體管來達(dá)到所需目標(biāo)，此處不一一列舉。這對(duì)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(jī)優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　a) 變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動(dòng);

　　b) 溫升低，可靠性好;

　　c) 價(jià)格低，所以被較多廠家選用。

　　缺點(diǎn)：

　　a) 碳刷易磨損，更換較為麻煩，壽命短;

　　b) 運(yùn)行電流大，電機(jī)磁鋼易退磁，降低了電機(jī)與電池的作用壽命。

　　無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　a) 電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向，性能可靠、永無(wú)磨損、故障率低，壽命比有刷電機(jī)提高了約6倍，代表了電動(dòng)車的發(fā)展方向;

　　b) 屬靜態(tài)電機(jī)，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，就感覺不到振動(dòng)現(xiàn)象了;

　　b) 價(jià)格高，控制器要求高;

　　c) 易形成共振，因?yàn)槿魏我患|西都有一個(gè)固有振動(dòng)頻率，如果無(wú)刷電機(jī)的振動(dòng)頻率與車架或塑料件的振動(dòng)頻率相同或接近時(shí)就容易形成共振現(xiàn)象，但可以通過調(diào)整將共振現(xiàn)象減小到最小程度。所以采用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車有時(shí)會(huì)發(fā)出一種嗡嗡的聲音是一種正常的現(xiàn)象。

　　d) 腳踏騎行時(shí)較費(fèi)力，最好是電力驅(qū)動(dòng)與腳踏助力相結(jié)合。

　　無(wú)刷直流電機(jī)選型

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

　　最大扭矩：可以通過將負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)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(rèn)為是實(shí)際應(yīng)用需要的持續(xù)輸出扭矩，由許多因素決定：最大扭矩、負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、加速、減速及運(yùn)行時(shí)間等。

　　轉(zhuǎn)速：這是有應(yīng)用需求的轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速梯形曲線來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速需求，通常計(jì)算時(shí)要留有10%的余量。