介紹

許多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用都采用永磁直流電機(jī)。因?yàn)榕c交流電機(jī)相比，直流電機(jī)的控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。因此，在需要控制速度、扭矩或位置時(shí)，通常都采用直流電機(jī)。

常用的直流電機(jī)有兩種：有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)（或稱BLDC電機(jī)）。顧名思義，有刷直流電機(jī)帶有電刷，電刷可以使電機(jī)換向并旋轉(zhuǎn)；而無(wú)刷電機(jī)則用電子控制取代了機(jī)械換向功能。

很多應(yīng)用都是既可以使用有刷直流電機(jī)，也可以使用無(wú)刷直流電機(jī)。兩種類型的電機(jī)基于相同的線圈和永磁體吸引與排斥原理，二者都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行具體選擇。

有刷直流電機(jī)

直流電機(jī)使用繞線線圈來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。在有刷電機(jī)中，線圈可以自由旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)動(dòng)軸，它們被稱為“轉(zhuǎn)子“。通常，線圈纏繞在鐵芯上，當(dāng)然也有“無(wú)芯“有刷電機(jī)，其繞組是自支撐的。?

電機(jī)的固定部分稱為“定子“。用于提供固定磁場(chǎng)的永磁體通常位于定子的內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子的外部。

為了產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的扭矩，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)需要持續(xù)旋轉(zhuǎn)，以使其磁場(chǎng)吸引并排斥定子的固定磁場(chǎng)。通常采用滑動(dòng)式電子開(kāi)關(guān)來(lái)使磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。該開(kāi)關(guān)由換向器和固定電刷組成，換向器通常是安裝在轉(zhuǎn)子上的分片觸點(diǎn)，而固定電刷則安裝在定子上。

隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，換向器不斷地接通和斷開(kāi)不同的轉(zhuǎn)子繞組，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈不斷被定子的固定磁體吸引和排斥，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

有刷電機(jī)的電刷和換向器之間存在機(jī)械摩擦，而且由于是電觸點(diǎn)，通常無(wú)法潤(rùn)滑。因此電刷和換向器在電機(jī)的整個(gè)壽命周期內(nèi)都存在機(jī)械磨損，并最終將導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法工作。不過(guò)許多有刷電機(jī)（尤其是大型有刷電機(jī)）都有可更換的電刷，其電刷通常由碳制成，在磨損后也可保持良好的接觸，這些電機(jī)都需要定期維護(hù)。但即使有可更換的電刷，換向器最終也會(huì)磨損到必須更換電機(jī)的程度。

要驅(qū)動(dòng)有刷電機(jī)，需要在電刷兩端施加直流電壓，使電流流經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組從而旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

如果一個(gè)有刷電機(jī)在應(yīng)用中只需要向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，也無(wú)需控制速度或扭矩，則完全不需要驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。在這類應(yīng)用中，只需打開(kāi)和關(guān)閉直流電壓即可使電機(jī)運(yùn)行或停止。這在電動(dòng)玩具等低成本應(yīng)用中很常見(jiàn)。如果需要反向旋轉(zhuǎn)，則可以通過(guò)雙極開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如果需要控制速度、扭矩和方向，則采用由電子開(kāi)關(guān)（晶體管、IGBT或MOSFET）組成的“ H橋”來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向任一方向旋轉(zhuǎn)。施加到電機(jī)上的電壓可以是任一極性，它使電機(jī)沿不同方向旋轉(zhuǎn)。而通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)脈沖的寬度可以控制電機(jī)的速度或扭矩。

無(wú)刷直流電機(jī)

無(wú)刷直流電機(jī)與有刷電機(jī)的磁吸和排斥原理相同，但結(jié)構(gòu)略有不同。與有刷電機(jī)的機(jī)械換向器和電刷不同，無(wú)刷電機(jī)通過(guò)電子換向器實(shí)現(xiàn)定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，而這需要使用主動(dòng)控制電子設(shè)備。

I在無(wú)刷電機(jī)中，轉(zhuǎn)子上附有永磁體，定子上則裝有繞組。轉(zhuǎn)子可以放在內(nèi)側(cè)（如上圖所示），也可以放在繞組外側(cè)（有時(shí)稱為“外轉(zhuǎn)式”電機(jī)）。

無(wú)刷電機(jī)中用到的繞組數(shù)稱為相數(shù)，它可以有不同的相數(shù)，但最常見(jiàn)的是三相無(wú)刷電機(jī)。另外，如小型冷卻風(fēng)扇等可能就只有一相或兩相。

無(wú)刷電機(jī)的三個(gè)繞組通常以“星形”或“三角形”方式連接。無(wú)論哪種連接，都有三根線連接到電機(jī)，而且其驅(qū)動(dòng)技術(shù)和波形都是相同的。

三相電機(jī)可以構(gòu)建不同的磁配置，稱為磁極。最簡(jiǎn)單的三相電機(jī)有兩個(gè)磁極：轉(zhuǎn)子只有一對(duì)磁極，一個(gè)N極，一個(gè)S極。當(dāng)然也可以有更多的磁極，這需要在轉(zhuǎn)子中配置更多的磁性部分，并在定子中增加更多繞組。磁極越多，性能越高，但極數(shù)少可以實(shí)現(xiàn)更高的速度。

要驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷電機(jī)，三相繞組每相需要在根據(jù)轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)，運(yùn)行在高電位或低電位上。為此，通常采用三個(gè)“半橋”驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路都由兩個(gè)開(kāi)關(guān)組成。根據(jù)所需的電壓和電流，開(kāi)關(guān)可以是雙極型晶體管、IGBT或MOSFET。

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