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    有刷与无刷电机方案优劣对比

    2020-03-30 00:00:00 263

    20世纪70年代半导体电子学的发展使得直流电机中的换向器和电刷被淘汰。在无刷直流电机中,电子伺服系统代替了机械换向器触点。电子传感器检测转子的角度,并控制半导体开关,如晶体管开关和电流通过线圈。消除了滑动接触,使无刷电机具有更少的摩擦和更长的使用寿命,他们的工作寿命只受轴承寿命的限制。


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    有刷直流电机在静止时产生最大转矩,随速度增加线性减小。无刷电机可以克服有刷电机的一些局限性;它们包括更高的效率和更低的机械磨损敏感性。这些好处是以可能不那么坚固、更复杂和更昂贵的控制电子产品为代价的。

    典型的无刷电机具有永磁体,永磁体绕固定电枢旋转,消除了将电流连接到移动电枢的问题。一个电子控制器取代了电刷/换向器组件的无刷直流电机,它不断切换相位的绕组,以保持电机运转。该控制器通过使用固态电路而不是电刷/换向器系统执行类似的定时功率分配。

    与有刷直流电机相比,无刷直流电机有几个优点,包括高转矩重量比、更大的每瓦转矩(提高效率)、更高的可靠性、更低的噪音、更长的使用寿命(无刷和换向器腐蚀)、消除换向器产生的电离火花以及全面减少电磁干扰(EMI)。由于转子上没有绕组,它们不受离心力,而且由于绕组由外壳支撑,它们可以通过传导冷却,不需要电机内部的气流来冷却。这反过来又意味着电机的内部可以完全封闭和保护污垢或其他外来物质。

    无刷电机换向可以在软件中使用微控制器或微处理器计算机实现,也可以在模拟硬件中实现,或在数字固件中使用现场可编程门阵列(FPGA)实现。用电子器件代替电刷进行换向,可以实现更大的灵活性和功能,这是有刷直流电机所不具备的,包括速度限制、用于缓慢和/或精细运动控制的“微步”操作,以及静止时的保持力矩。控制器软件可以定制特定的电机在应用中使用,导致更大的换向效率。

    应用于无刷电机的最大功率很大程度受热量限制,过多的热量会使磁体变弱,损坏绕组的绝缘性能。

    在将电力转化为机械动力时,无刷电机比有刷电机效率更高。这种改进很大程度上是由于位置传感器反馈所决定的切换电流的频率。额外的收益是由于没有刷子,这减少了机械能量损失由于摩擦。在电机性能曲线的空载和低载区域效率提高最大。在高机械负载下,无刷电机和高质量有刷电机的效率是相当的。

    制造商使用无刷直流电机的环境和要求包括:免维护运行、高速度和火花危险或可能影响电子敏感设备的运行。

    无刷电机的结构可能类似于步进电机的结构。与步进电机不同的是,无刷电机通常用于产生连续旋转。步进电机一般不包括用于转子位置内部反馈的轴位置传感器。取而代之的是,步进控制器将依靠传感器来检测被驱动设备的位置。它们经常在转子处于确定的角位置时停止,同时仍然产生扭矩。一个设计良好的无刷电机系统也可以保持在零转速和有限扭矩。


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