有刷直流電機(jī)的應(yīng)用介紹

自從無刷直流電機(jī)誕生，“古老的”有刷電機(jī)就開始沒落，但它依然是低成本應(yīng)用的可靠選擇。

在有刷電機(jī)中，磁極方向的跳轉(zhuǎn)是通過移動(dòng)固定位置的接觸點(diǎn)來完成的，該接觸點(diǎn)在電機(jī)轉(zhuǎn)子上與電觸點(diǎn)相對(duì)連接。這種固定觸點(diǎn)通常由石墨制成，與銅或其他金屬相比，在大電流短路或斷路/起動(dòng)過程中石墨不會(huì)熔斷或者與旋轉(zhuǎn)觸點(diǎn)焊接到一起，并且這個(gè)觸點(diǎn)通常是彈簧承載的，所以能夠獲得持續(xù)的接觸壓力。

在20世紀(jì)，大中型有刷電機(jī)在工業(yè)和先進(jìn)制造領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用，直流電機(jī)的基本理論也被查爾斯•斯坦梅茨（Charles Steinmetz）等杰出人物廣泛分析，這包括詳細(xì)的電路，電動(dòng)勢(shì)、磁場(chǎng)方程、性能參數(shù)（速度，扭矩，控制和效率）、設(shè)計(jì)、制造等。幾十年來，直流電機(jī)理論和與應(yīng)用的課程幾乎是所有工科專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)課程，這些課程包含全面的小型和大型電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室課程。

由于使用MOSFET和IGBT作為電機(jī)的開關(guān)及其更加實(shí)用、更加經(jīng)濟(jì)可靠的控制方式，早在幾十年前，有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)便開始衰落。取而代之的是無刷直流（BLDC）電機(jī)及其變體，如步進(jìn)電機(jī)，這些電機(jī)逐漸成為主流的直流電機(jī)?，F(xiàn)在，無數(shù)的汽車，磁盤驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)以及中小型設(shè)備等都使用了無刷直流電機(jī)。

這種轉(zhuǎn)變的原因很顯然：使用開關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)器和智能控制器的先進(jìn)電子設(shè)備使電機(jī)系統(tǒng)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(yōu)秀。這些BLDC電機(jī)沒有刷子磨損，也不會(huì)引起EMI / RFI。因此，隨著無刷替代品的使用，BDC電機(jī)的使用量急劇下降。

盡管從有刷電機(jī)到無刷電機(jī)發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)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(jī)依舊是一個(gè)很好的選擇。如便宜的玩具以及一些功能簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，如汽車的電動(dòng)座椅等。

更進(jìn)一步的，綜合使用最新的控制器、MOSFET / IGBT開關(guān)，并且充分了解其局限性，就可以讓電極提供足夠好的性能。由于它們幾乎不需要電子控制裝置，所以整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)相當(dāng)便宜。此外，基本的BDC電機(jī)在電源和電機(jī)之間只需要兩根電纜，這樣就可以節(jié)省配線和連接器所需的空間，并降低電纜和連接器的成本。

有刷電機(jī)基礎(chǔ)

所有電機(jī)（特殊的除外，例如壓電電機(jī)）的工作都依賴于定子與轉(zhuǎn)子電磁場(chǎng)之間的相互作用，這些電磁場(chǎng)被控制，從而周期性的在定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生引力和斥力，進(jìn)而引起運(yùn)動(dòng)，如圖1和圖2所示。

圖1：無刷直流電機(jī)外部磁場(chǎng)（由永磁體提供），電刷，電樞上的換向器及運(yùn)動(dòng)原理。

圖2：有刷直流電機(jī)在其電樞上繞有大量的線圈，所產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)（此處由永磁體提供）相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

基本的有刷電機(jī)已經(jīng)完全機(jī)械化，不需要電子設(shè)備參與?？刂埔彩趾?jiǎn)單：連接直流電源，電機(jī)自啟動(dòng)然后旋轉(zhuǎn)。由于小接觸角度形成一個(gè)“死區(qū)”，所以有刷直流電機(jī)有著潛在的啟動(dòng)問題，但這可以通過一些機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)整來解決。

要實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，只需將直流電源線對(duì)調(diào)，要調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度（在有限的范圍內(nèi)），只需要升高或降低供電電壓。一般來說，BDC電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其勵(lì)磁線圈的電動(dòng)勢(shì)（EMF）成正比（EMF是施加于其上的電壓減去由于電阻損失的電壓），而轉(zhuǎn)矩與電流成比例。

那么有刷電機(jī)是如何產(chǎn)生使其電樞旋轉(zhuǎn)所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而無需外部控制器的呢？是電機(jī)自己完成這項(xiàng)工作的。在電機(jī)殼體上有一對(duì)180°分開的電刷，這對(duì)電刷通過兩個(gè)換向器觸點(diǎn)（金屬板）將施加的電流引導(dǎo)到電樞線圈上; 每個(gè)金屬板覆蓋近180°的電樞。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電源，電刷，換向器金屬板和兩個(gè)電機(jī)線圈（繞組）之間的電流回路每轉(zhuǎn)半圈就自動(dòng)切換一次。

電樞的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)可以通過電機(jī)本體上的固定線圈產(chǎn)生，也可以通過永磁體產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其磁場(chǎng)方向也要反轉(zhuǎn)，從而電機(jī)保持轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)榫€圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向是一直切換的，并且被外部線圈或永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)吸引/排斥。

請(qǐng)注意，一直來，永磁體的使用范圍僅限于微型電機(jī)，例如玩具，因?yàn)樵诔叽绾椭亓慷急容^合理的情況下，磁體的強(qiáng)度并不足夠大。但是，使用稀土材料的高能量永磁體的發(fā)展改變了這個(gè)局面，這使得基于PM的BDC電機(jī)適用于大型電機(jī)，即使在分馬力范圍內(nèi)也是如此。盡管由于外部勵(lì)磁線圈不需要電源而使得PM方法效率更高，但它會(huì)降低系統(tǒng)控制電機(jī)行為的自由度。無論是PM BDC電機(jī)還是勵(lì)磁線圈的設(shè)計(jì)，都需要權(quán)衡尺寸、成本、重量、控制需要等因素。

超越基本有刷電機(jī)

在基本形式中，BDC電機(jī)是優(yōu)雅和簡(jiǎn)單的典范。事實(shí)上，許多為年輕人提供的基礎(chǔ)科學(xué)工具都是使用一個(gè)簡(jiǎn)單的拉絲馬達(dá)來展示電學(xué)和磁學(xué)的基本原理以及它們之間的相互作用是如何產(chǎn)生有效運(yùn)動(dòng)的，如圖3所示。這個(gè)過程不需要電子器件，并且所有的動(dòng)作和電流路徑都是可見的。

圖3：沒有比這個(gè)學(xué)生項(xiàng)目版本更簡(jiǎn)單電機(jī)了，它使用永磁體產(chǎn)生外部（定子）磁場(chǎng)，使用回形針作為電刷，使用小線圈作為電樞繞組線圈; 它直接通過電池運(yùn)行。

所討論的BDC電機(jī)是這樣的：簡(jiǎn)單和基本。然而，鑒于這些電機(jī)的許多應(yīng)用和規(guī)格已經(jīng)被投入使用有100多年了，所以開發(fā)者也設(shè)計(jì)出許多新的變體來克服電機(jī)的某些弱點(diǎn)或者在特定應(yīng)用中優(yōu)化其性能。其中有許多變體集中于通過改變定子的勵(lì)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(shí)性添加電容器和電阻器來調(diào)整電壓，限制電流或者改變電壓/電流的相位關(guān)系。

在實(shí)踐中，大多數(shù)直流電機(jī)都不僅僅是兩個(gè)簡(jiǎn)單版本電樞極的組合。除了其他好處外，更多的極點(diǎn)可使電機(jī)從任何旋轉(zhuǎn)角度更可靠地啟動(dòng)（簡(jiǎn)單版本有兩個(gè)小的死區(qū)）。而且，這樣的電機(jī)不允許瞬態(tài)短路電流通過，有些系統(tǒng)每轉(zhuǎn)允許有兩次短暫的短路電流通過，但是很多系統(tǒng)都不能做到這一點(diǎn)。

定子的勵(lì)磁線圈有多種配置，如圖4所示。最常見的配置是串聯(lián)繞組，分流繞組和復(fù)合繞組（串聯(lián)和分流的組合）。在串聯(lián)繞組式電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁線圈與電樞線圈（通過電刷）串聯(lián); 在分流繞組式電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁線圈與電樞線圈并聯(lián)（“分流”是用于“并聯(lián)”的另一種表述方式）。

圖4 ：（從左到右）在串聯(lián)繞組結(jié)構(gòu)中，勵(lì)磁線圈S1-S2與電樞線圈A1-A2串聯(lián); 對(duì)于分流繞組，勵(lì)磁線圈F1-F2與電樞線圈A1-A2并聯(lián); 對(duì)于復(fù)合方式，勵(lì)磁線圈S1-S2串聯(lián)，F(xiàn)1-F2與電樞線圈A1-A2并聯(lián)。

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(dòng)和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩以及處理負(fù)載變化的能力。一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)對(duì)定子的勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子的電樞繞組使用獨(dú)立的勵(lì)磁控制，以獲得更大的靈活性和更嚴(yán)格的控制。

有刷電機(jī)進(jìn)入21世紀(jì)

盡管BLDC電機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，但有刷電機(jī)仍然可用，并且其性能正在逐漸提高。雖然電機(jī)的設(shè)計(jì)方式在許多方面相對(duì)不變，但仍有兩個(gè)重要的發(fā)展：其一是永磁體得到了廣泛使用，另一個(gè)是IC和電子開關(guān)被用于線圈驅(qū)動(dòng)和功能反饋。

如圖5所示，Digilent 的290-008是6V BDC電機(jī)的一個(gè)例子。它包括一個(gè)1:53減速齒輪箱，用于提高扭矩，額定值為0.7 kgf-cm（最大值）。盡管電源連接只需要兩根導(dǎo)線，但電機(jī)/變速箱還帶有一個(gè)六引腳連接器。其他四個(gè)導(dǎo)線用于連接集成霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)，該傳感器對(duì)用于表示轉(zhuǎn)數(shù)和方向，使用標(biāo)準(zhǔn)的A-B正交方法。

圖5：Digilent的290-008型6 V直流電機(jī)是基本有刷電機(jī)的一個(gè)很好的例子。它不但需要為電源分配導(dǎo)線，還包括一對(duì)霍爾效應(yīng)器件和四個(gè)額外的電線，用于感應(yīng)反饋控制所需的旋轉(zhuǎn)和方向。

該電機(jī)在6V電壓下自主運(yùn)行時(shí)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(zhuǎn)矩為4.1kgf-cm。這個(gè)小型電機(jī)及齒輪箱（長(zhǎng)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)之間的相互影響：1）轉(zhuǎn)矩，2）轉(zhuǎn)速，3）電流，4）輸出功率，5）效率。

圖6：該圖顯示了Digilent 的290-008電機(jī)的主要操作參數(shù)，以及它們?cè)谡麄€(gè)操作范圍內(nèi)的變化情況。

盡管無刷電機(jī)可以直接通過直流電源運(yùn)行，但使用“合適的”驅(qū)動(dòng)器件不僅能提供必要的驅(qū)動(dòng)電流，而且還能提供幾乎每個(gè)電機(jī)子系統(tǒng)所需的各種保護(hù)功能。德州儀器（TI）DRV8412雙路全橋PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是DRV8x系列集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的一員，可處理兩個(gè)獨(dú)立的無刷電機(jī)（以及步進(jìn)電機(jī)）。它具有很高的驅(qū)動(dòng)效率（高達(dá)97％），可以最大限度地減少散熱和相關(guān)問題，如圖7所示，它可以為電機(jī)提供2&TImes;7A（連續(xù)）或2&TImes;12A（峰值）的驅(qū)動(dòng)電流。

圖7：德州儀器（TI）的DRV8412雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不僅能處理兩個(gè)獨(dú)立的有刷電機(jī)，還能為各種故障，過熱和過流情況提供保護(hù)。

微型芯片（僅14.00mm×6.10mm）具有保護(hù)系統(tǒng)，能夠保護(hù)設(shè)備以免受到各種故障的損害。這些包括短路保護(hù)，過電流保護(hù)，欠壓保護(hù)和兩級(jí)熱保護(hù)。此外，它還有一個(gè)限流電路，可以防止在負(fù)載瞬變過程中設(shè)備因“錯(cuò)誤”而關(guān)斷，比如電機(jī)啟動(dòng)過程（相當(dāng)于使用慢速熔斷器而不是快速熔斷器）?？删幊踢^電流探測(cè)器可以調(diào)節(jié)電流限制和保護(hù)水平，以滿足不同的電機(jī)要求。

該系列產(chǎn)品的每個(gè)半橋都有獨(dú)立的電源和接地引腳，這樣就可以通過外部分流電阻對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，并且支持由不同電源電壓供電的多個(gè)電機(jī)同時(shí)使用。當(dāng)兩個(gè)電機(jī)因尺寸不同而需要不同的電源電壓時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)是非常有用的，例如廣告顯示屏需要小型電機(jī)揮動(dòng)引人注目的標(biāo)志，同時(shí)需要更大的電機(jī)來旋轉(zhuǎn)整個(gè)顯示器。

毫無疑問，由于許多可靠的技術(shù)原因，直流供電的有刷電機(jī)在很大程度上已經(jīng)被電子控制的無刷電機(jī)取代。盡管如此，在要求不高，對(duì)成本敏感的應(yīng)用或者要求有限的情況下，有刷電機(jī)仍然是一個(gè)有效的方案。通過將有刷電機(jī)與基本電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC相結(jié)合，有刷電機(jī)和最終產(chǎn)品就可以實(shí)現(xiàn)許多額外的操作并且擁有更好的保護(hù)措施。顯然，在沒有查看BDC電機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和屬性的情況下就認(rèn)為無刷電機(jī)是正確的選擇，這樣的想法是目光短淺的表現(xiàn)。