盡管刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在很久，但它仍然是適用于低成本敏感型應(yīng)用的可行解決方案。在刷直流電機(jī)中，通過固定的接觸器與電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電接觸點(diǎn)進(jìn)行磁極方向的切換（通電）。這種接觸器通常由石墨制成，與銅或其他金屬不同，它在高電流短路或斷/接動(dòng)作時(shí)不會(huì)與旋轉(zhuǎn)接觸器焊接在一起，并且通常帶有彈簧加載，以提供一致的接觸壓力。

20世紀(jì)，中型和大型刷直流電機(jī)在工業(yè)和技術(shù)進(jìn)步中發(fā)揮了重要作用，其理論和實(shí)踐經(jīng)過了許多專家的深入分析。對于直流電機(jī)，進(jìn)行了詳細(xì)的電路、電動(dòng)勢和磁場方程、性能參數(shù)以及設(shè)計(jì)、制造和實(shí)際考慮因素的研究。直流電機(jī)的理論和應(yīng)用課程幾十年來一直是幾乎所有工程項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)組成部分，包括小型和大型電機(jī)的全面實(shí)踐實(shí)驗(yàn)。

然而，隨著固態(tài)電機(jī)開關(guān)和控制器（如MOSFET和IGBT）的出現(xiàn)，刷直流電機(jī)的主導(dǎo)地位開始下降。取而代之的是無刷直流（BLDC）電機(jī)及其同類產(chǎn)品，如步進(jìn)電機(jī)，成為主導(dǎo)的直流電機(jī)類型。今天，BLDC電機(jī)在汽車、硬盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)、小型和中型家電等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

這種轉(zhuǎn)變的原因是顯而易見的：使用現(xiàn)代電子技術(shù)中的開關(guān)、驅(qū)動(dòng)器和智能控制器，無刷電機(jī)系統(tǒng)在效率、可靠性、電磁干擾/射頻干擾、可控性和適用性等方面都表現(xiàn)更好。無刷電機(jī)沒有刷子磨損或引起電磁干擾/射頻干擾的問題。隨著無刷替代品的普及，刷直流電機(jī)的使用情況顯著減少。

然而，盡管刷直流電機(jī)被取代，但在某些應(yīng)用和情況下，刷直流電機(jī)仍然是在性能、成本和可靠性方面的最佳選擇。這些應(yīng)用包括廉價(jià)玩具和汽車座椅調(diào)節(jié)控制等簡單功能。此外，結(jié)合最新的控制器和MOSFET/IGBT開關(guān)使用時(shí)，只要了解其局限性，刷直流電機(jī)可以提供足夠良好的性能。由于它們只需要少量或不需要控制電子元件，整體電機(jī)/控制功能的成本相對較低。此外，基本的刷直流電機(jī)只需要兩根電源和電機(jī)之間的導(dǎo)線，這節(jié)省了在狹小空間中所需的布線和連接器所占的空間，并減少了電纜和連接器的成本。

盡管無刷直流電機(jī)的發(fā)展使其在許多領(lǐng)域中成為主導(dǎo)技術(shù)，但刷直流電機(jī)仍然在某些低成本應(yīng)用中具有可行性。了解其優(yōu)勢和局限性，以及與最新技術(shù)的結(jié)合，可以在特定情況下選擇適合的電機(jī)類型。

刷直流電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 除了一些特殊的例外情況（例如壓電電機(jī)），所有電機(jī)都依賴于固定部件（定子）上的電磁場、旋轉(zhuǎn)部件（轉(zhuǎn)子）上的電磁場之間的相互作用，以及如何控制和改變這些場來誘導(dǎo)磁吸引/排斥并引起運(yùn)動(dòng)，如圖1和圖2所示。

圖 1：無刷直流電機(jī)的概念布置顯示了外部磁場（此處由永磁體提供）、電刷、電樞上的換向器和實(shí)際旋轉(zhuǎn)之間的相互作用。

圖 2：實(shí)際有刷直流電機(jī)的電樞上有大量線圈繞組；這些產(chǎn)生與外部磁場相互作用的強(qiáng)磁場。

基本的有刷電機(jī)完全是機(jī)械的，不需要電子設(shè)備。控制盡量簡單：接通直流電源，電機(jī)自啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；由于接觸角“死區(qū)”較小，因此存在潛在的啟動(dòng)問題，但這可以通過一些機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)整來解決。

要反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向，只需將直流電源線反轉(zhuǎn)即可；調(diào)整速度（在有限范圍內(nèi)），增加或減少直流電壓。通常，BDC 電機(jī)的速度（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，RPM）與其勵(lì)磁線圈中的電動(dòng)勢 (EMF) 成正比（EMF 是施加到它的電壓減去由于其電阻而損失的電壓），而扭矩是與所汲取的電流成正比。

那么有刷電機(jī)是如何在沒有外部控制器的情況下產(chǎn)生迫使電樞旋轉(zhuǎn)所需的旋轉(zhuǎn)磁場的呢？馬達(dá)自己做。電機(jī)外殼上相隔 180° 的一對電刷通過兩個(gè)換向器觸點(diǎn)（板）將施加的電流引導(dǎo)至電樞線圈；每個(gè)板都覆蓋了近 180° 的電樞。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電源、電刷、換向器板和兩個(gè)電機(jī)線圈（繞組）之間的電流路徑每半圈自動(dòng)切換一次。

電樞的磁場與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用，轉(zhuǎn)子的磁場可以由電機(jī)機(jī)體上的固定線圈或永磁體產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其磁場會(huì)反轉(zhuǎn)，因此電機(jī)會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)榫€圈產(chǎn)生的磁場會(huì)根據(jù)外部線圈或永磁體產(chǎn)生的磁場進(jìn)行切換并被吸引/排斥。

請注意，多年來，永磁體的使用僅適用于微型電機(jī)，例如玩具，因?yàn)閷τ诤侠淼某叽绾椭亓縼碚f，磁鐵的功率不夠大。然而，使用稀土材料的高能永磁體的開發(fā)改變了這一點(diǎn)，使得基于 PM 的 BDC 電機(jī)適用于更大的電機(jī)——即使在分?jǐn)?shù)馬力范圍內(nèi)。雖然 PM 方法效率更高，因?yàn)橥獠縿?lì)磁線圈不需要電源，但它降低了系統(tǒng)在控制電機(jī)行為方面的自由度。無論是 PM BDC 電機(jī)還是勵(lì)磁線圈設(shè)計(jì)是更好的選擇，都需要權(quán)衡尺寸、成本、重量、所需的控制和其他因素。

超越有刷電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

在基本形式中，BDC 電機(jī)是優(yōu)雅和簡單的典范。事實(shí)上，許多針對青少年的基礎(chǔ)科學(xué)工具包都使用簡單的有刷電機(jī)來演示基本的電磁原理，以及如何使用它們的相互作用來產(chǎn)生有用的運(yùn)動(dòng)，圖 3。沒有電子元件，所有的動(dòng)作和電流 -流動(dòng)路徑是可見的。

圖 3：電機(jī)不能比這個(gè)學(xué)生項(xiàng)目版本更簡單，它使用永磁體作為外部（定子）磁場，使用回形針作為電刷，使用小線圈作為電樞繞組；它直接由電池供電。

所討論的簡單、基本的 BDC 電機(jī)就是：簡單和基本。然而，考慮到這些電機(jī)在 100 多年來的許多應(yīng)用和尺寸，它們一直在使用，已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多變體來克服某些弱點(diǎn)或優(yōu)化特定應(yīng)用中的性能。其中許多都集中在定子勵(lì)磁線圈的繞組或電樞上的線圈上。其他變體永久或臨時(shí)添加電容器和電阻器以調(diào)節(jié)電壓、限制電流或改變相對電壓/電流相位關(guān)系。

在實(shí)踐中，大多數(shù)直流電機(jī)不僅僅是簡單版本的兩個(gè)電樞極。除了其他好處之外，增加更多的磁極可以讓電機(jī)從任何旋轉(zhuǎn)角度更可靠地啟動(dòng)（簡單版本有兩個(gè)小死區(qū)）。另外，短路時(shí)也沒有電流可以瞬間流過的位置。有些系統(tǒng)可以容忍每次旋轉(zhuǎn)兩次短暫短路，而許多系統(tǒng)則不能接受。

定子的勵(lì)磁線圈可以采用多種配置，圖 4。最常見的配置是串聯(lián)繞組、并聯(lián)繞組和復(fù)合繞組（串聯(lián)和并聯(lián)的組合）。在串聯(lián)電機(jī)中，勵(lì)磁線圈與電樞線圈串聯(lián)（通過電刷）；在并聯(lián)電機(jī)中，這些勵(lì)磁線圈并聯(lián)連接（“分流”是“并聯(lián)”連接的另一個(gè)術(shù)語）到電樞線圈。

圖 4：（從左到右）在串聯(lián)配置中，勵(lì)磁線圈 S1-S2 與電樞線圈 A1-A2 串聯(lián)；對于并聯(lián)繞組，勵(lì)磁線圈F1-F2與電樞線圈A1-A2并聯(lián)；對于復(fù)合方法，勵(lì)磁線圈 S1-S2 串聯(lián)，F(xiàn)1-F2 與電樞線圈 A1-A2 并聯(lián)。

每種接線配置都提供了速度與扭矩、啟動(dòng)和運(yùn)行扭矩以及處理負(fù)載變化的能力的控制和性能的不同平衡。一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)對定子的勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子的電樞繞組使用獨(dú)立的勵(lì)磁控制，以實(shí)現(xiàn)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)仍然可用并且正在得到增強(qiáng)。雖然基本電機(jī)設(shè)計(jì)在許多方面相對沒有變化，但有兩個(gè)重大發(fā)展：廣泛使用永磁體而不是勵(lì)磁線圈，以及使用 IC 和電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)線圈驅(qū)動(dòng)和反饋功能。

Digilent290-008是基本 6-V BDC 電機(jī)的示例，圖 5。它包括一個(gè) 1:53 減速齒輪箱以提高扭矩，額定扭矩為 0.7 kgf-cm（最大）。雖然電源連接只需要兩條引線，但電機(jī)/齒輪箱帶有一個(gè)六引線連接器。其他四根引線用于集成霍爾效應(yīng)傳感器對，用于指示旋轉(zhuǎn)和方向，使用標(biāo)準(zhǔn) AB 正交方法。

圖 5：Digilent 的 290-008 6-V 直流電機(jī)是基本有刷電機(jī)的一個(gè)很好的例子；它只需要用于供電的正負(fù)引線，還包括一對霍爾效應(yīng)設(shè)備和四根用于檢測旋轉(zhuǎn)和方向的附加電線，這是反饋控制所必需的。

該電機(jī)在 6V 時(shí)的自由運(yùn)行、空載電流為 220mA，速度為 150RPM；滿載額定電流在 125RPM 時(shí)為 480mA，失速電流為 1.8A，扭矩為 4.1 kgf-cm。這個(gè)小電機(jī)加上它的齒輪箱（長 54 毫米，直徑 22 毫米，加上連接器）的線圈電阻僅為 3.3Ω。圖 6 的性能圖顯示了五個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（使用 6V 電源）之間的相互作用：1) 扭矩，2) 速度，3) 電流，4) 輸出功率和 5) 效率。

圖 6：這張圖顯示了 Digilent 290-008 電機(jī)的所有主要工作參數(shù)以及它們在整個(gè)工作范圍內(nèi)的變化情況。

盡管無刷電機(jī)可以直接通過直流電源軌運(yùn)行，但使用“合適的”驅(qū)動(dòng)器組件不僅可以提供必要的驅(qū)動(dòng)電流，還可以提供幾乎每個(gè)電機(jī)子系統(tǒng)都需要的各種保護(hù)功能，這是有好處的。Texas InstrumentsDRV8412雙路全橋 PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是其廣泛的DRV8x集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系列的成員，可處理兩個(gè)獨(dú)立的無刷電機(jī)（以及步進(jìn)電機(jī)）。它具有高效驅(qū)動(dòng)器（高達(dá) 97%）以最大限度地減少熱耗散和相關(guān)問題，圖 7，并且可以為電機(jī)提供 2 × 7A（連續(xù)）或 2 × 12A（峰值）。

圖 7：Texas Instruments 的 DRV8412 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不僅可以處理兩個(gè)獨(dú)立的有刷電機(jī)，還可以針對各種故障、熱和過流情況提供關(guān)鍵保護(hù)。圖片來源：德州儀器

微型 IC（僅 14.00mm × 6.10mm）具有保護(hù)系統(tǒng)，可保護(hù)設(shè)備免受可能損壞系統(tǒng)的各種故障情況的影響。其中包括短路保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和兩級(jí)熱保護(hù)。它還具有一個(gè)限流電路，可防止設(shè)備在電機(jī)啟動(dòng)等負(fù)載瞬態(tài)期間“錯(cuò)誤”關(guān)閉（大致類似于使用慢熔保險(xiǎn)絲而不是快速熔斷保險(xiǎn)絲）?？删幊踢^流檢測器允許調(diào)節(jié)電流限制和保護(hù)級(jí)別以滿足不同的電機(jī)要求。

該系列的成員為每個(gè)半橋提供獨(dú)立的電源和接地引腳，可通過外部分流電阻器進(jìn)行電流測量，并支持使用具有不同電源電壓的多個(gè)電機(jī)。當(dāng)兩個(gè)電機(jī)的尺寸不同從而需要不同的電源電壓時(shí)，這很有用，例如在廣告顯示器中，使用非常小的電機(jī)在顯示器上揮動(dòng)吸引注意力的旗幟，而使用較大的電機(jī)旋轉(zhuǎn)整個(gè)顯示器。

概括

毫無疑問，由于許多堅(jiān)實(shí)的技術(shù)原因，直流供電的有刷電機(jī)在很大程度上已被電子控制的無刷電機(jī)所取代。盡管如此，在要求不高、成本敏感的應(yīng)用或要求有限的情況下，有刷電機(jī)可能是一種有效的解決方案。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)品可以實(shí)現(xiàn)許多額外的運(yùn)行和保護(hù)優(yōu)勢。沒有至少考慮 BDC 電機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和屬性就自動(dòng)假定無刷是正確的選擇是短視的。