机器人开发--有刷电机与无刷电机

1 电机分类
2 有刷电机与无刷电机工作原理
- 2.1 有刷
- 2.2 无刷
3 有刷电机与无刷电机对比
- 3.1 有刷变压调速、无刷变频调速
- 3.2 优缺点
4 应用
- 4.1 电动车
参考

1 电机分类

2 有刷电机与无刷电机工作原理

2.1 有刷

有刷电机是大家最早接触的一类电机，中学时物理课堂上介绍电动机也是以它为模型来展示的。有刷电机的主要结构就是定子+转子+电刷，通过旋转磁场获得转动力矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。

有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。
在有刷电机中，这个过程是将各组线圈的两个电源输入端，依次排成一个环，相互之间用绝缘材料分隔，组成一个象圆柱体的东西，与电机轴连成一体，电源通过两个碳元素做成的小柱子（碳刷），在弹簧压力的作用下，从两个特定的固定位置，压在上面线圈电源输入环状圆柱上的两点，给一组线圈通电。
随着电机转动，不同时刻给不同线圈或同一个线圈的不同的两极通电，使得线圈产生磁场的N-S极与最靠近的永磁铁定子的N-S极有一个适合的角度差，磁场异性相吸、同性相斥，产生力量，推动电机转动。碳电极在线圈接线头上滑动，象刷子在物体表面刷，因此叫碳“刷”。
相互滑动，会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷；碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备。

2.2 无刷

无刷电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷电机，是使用一套电子设备，通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。消除了有刷电机的缺点。
这些电路，就是电机控制器。无刷电机的控制器，还可以实现一些有刷电机不能实现的功能，比如调整电源切换角，制动电机，使电机反转，锁住电机，利用刹车信号，停止给电机供电。现在电瓶车的电子报警锁，就充分利用了这些功能。
无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

3 有刷电机与无刷电机对比

3.1 有刷变压调速、无刷变频调速

有刷马达调速过程是调整马达供电电源电压的高低。调整后的电压电流通过整流子及电刷地转换，改变电极产生的磁场强弱，达到改变转速的目的。这一过程被称之为变压调速。
无刷马达调速过程是马达的供电电源的电压不变，改变电调的控制信号，通过微处理器再改变大功率MOS管的开关速率，来实现转速的改变。这一过程被称之为变频调速。

3.2 优缺点

直流电机优点：

起动和调速性能好，调速范围广平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小；
直流电机具有良好的启动特性和调速特性；
直流电机的转矩比较大
维修比较便宜；
直流电机的直流相对于交流比较节能环保。
直流有刷电机控制精度高。

直流电机缺点：

直流电机制造比较贵，有碳刷；（无刷能避免）
与异步电动机比较，直流电动机结构复杂，使用维护不方便，而且要用直流电源；
复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。（无刷能避免）
换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。（无刷能做优化）

4 应用

4.1 电动车

有刷电机，是老款电动机，也是第1代电动车电机，有刷电机是由电机碳刷、换相器、电机转子、电机定子、电机轴、电动机端盖、轴承等组件构成。但运用中维护较多，碳刷和换相器都应属易耗配件。电机碳刷必须要定期进行更换，如果更换不及时换向器会被火花烧损毁坏。并且耗能大，运行时产生的火花也比较大。一般来说有刷电机控制板没有过载保护，因此有刷电机在堵转和超载的情况下线路因为电流过大极易被烧坏，着火等。
无刷电机，是新一代电动车电机，电动机起步比较有利，爬坡性能很强，电动车驾驶中也没有噪音，无刷电机也不用更换电机碳刷，就算电动机中的组件毁坏，也无需更换电动机。

参考

1、百科–有刷直流电机
2、有刷电机 VS 无刷电机，究竟有啥区别？
3、如何区别电动车有刷和无刷电机，两者有哪些不同?
4、直流有刷电机与无刷电机的区别
5、转: 有刷电机与无刷电机图解分析，很详细

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