嵌入式 - 经典的有刷电机和先进的无刷电机

自从无刷直流电机诞生,“古老的”有刷电机就开始没落,但它依然是低成本应用的可靠选择,并且实现起来简单。

在有刷电机中,磁极方向的跳转是通过移动固定位置的接触点来完成的,该接触点在电机转子上与电触点相对连接。这种固定触点通常由石墨制成,与铜或其他金属相比,在大电流短路或断路/起动过程中石墨不会熔断或者与旋转触点焊接到一起,并且这个触点通常是弹簧承载的,所以能够获得持续的接触压力。

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。这种电机具有造价相对较低、扭力高、结构简单、易维护等优点。

有刷电机的缺点就是它的换向器和电刷。

由于使用MOSFET和IGBT作为电机的开关及其更加实用、更加经济可靠的控制方式,早在几十年前,有刷电机的优势便开始衰落。取而代之的是无刷直流(BLDC)电机及其变体,如步进电机,这些电机逐渐成为主流的直流电机。现在,无数的,磁盘驱动器,打印机以及扫地机器人、电动自行车等中小型设备等都使用了无刷直流电机。

这种转变的原因很显然:使用开关器件,驱动器和智能控制器的先进设备使电机系统在效率、可靠性、电气噪声、可控性和多功能性等方面变得更优秀。这些BLDC电机没有刷子磨损,也不会引起EMI / RFI。因此,随着无刷替代品的使用,BDC电机的使用量急剧下降。

尽管从有刷电机到无刷电机发生了巨大的转变,但在能够满足必要的性能,低成本和足够的可靠性的前提下,有刷电机依旧是一个很好的选择。如便宜的玩具以及一些功能简单的应用场合,如汽车的电动座椅等。有刷直流兆瓦级的用户现在还是很多。

简易两极直流电动机的原理

下图是简易二极有刷直流电动机的原理。直流电动机旋转。

1, 此为一个简单的直流电(D.C.)电动机。当线圈通电后,转子周围产生磁场,转子的左侧被推离左侧的磁铁,并被吸引到右侧,从而产生转动。

<think>嗯,用户现在想了解有刷电机无刷电机在硬件拓扑上的主要区别。之前已经讨论过BLDCPMSM的区别,现在问题转向了有刷无刷的比较。根据用户提供的引用,特别是引用[2][3],里面提到有刷电机使用电刷换向器,而无刷电机用电子开关位置传感器。我需要整理这些信息,确保结构清晰。 首先,用户可能已经知道基本工作原理,但需要硬件结构的具体对比。引用[2]提到无刷电机的定子转子结构与有刷相反,转子是永磁体,定子是电枢绕组。而有刷电机则是转子绕组,定子可能是永磁或电磁铁。硬件拓扑的关键点应该包括电刷/换向器与电子开关、绕组位置、传感器等。 然后,用户可能需要了解为什么会有这样的设计差异,比如维护、效率、控制复杂度。引用[3]提到无刷电机需要逆变器位置传感器,这属于硬件部分。而引用[4]提到无刷电机可能有共振问题,这可能影响硬件设计,比如需要减震措施。 还要注意用户可能的应用场景,比如电动车、家电等,不同应用对硬件的要求不同。例如,电动车可能更倾向于无刷电机,因为免维护,但需要复杂的电子驱动。而有刷电机在成本敏感的应用中更常见。 另外,用户可能想知道具体的拓扑结构图,但文本回复中无法提供,所以需要用文字描述清楚。例如,有刷电机的电流通过电刷传输到转子,而无刷则是通过电子开关控制定子绕组的通电顺序。 需要确保回答结构清晰,分点列出主要区别,可能包括电源连接方式、换向机构、控制电路、传感器、散热设计等。同时引用中的信息要正确对应,比如引用[2][3]关于电子开关位置传感器的内容。 最后,用户可能对选择哪种电机有后续问题,所以相关问题部分可以包括应用场景比较、维护成本、控制方法差异等。这样能帮助用户进一步理解如何根据需求选择合适的电机类型。</think>### 有刷电机无刷电机硬件拓扑结构对比 --- #### 一、**核心硬件差异** 1. **电源输入与换向机制** - **有刷电机**: - **硬件拓扑**: - **电刷+换向器**:机械接触式换向,通过电刷(碳刷)与换向器(铜片)的滑动接触,将外部直流电源电流传输至转子绕组(电枢)[^2][^3]。 - **定子磁场**:通常由永磁体或电磁铁(励磁绕组)产生固定磁场。 - **电路连接**:外部电源直接通过电刷连接到转子绕组,无需额外驱动电路。 - **示意图**: ```plaintext 电源 → 电刷 → 换向器 → 转子绕组 → 产生转矩 ``` - **无刷电机(BLDC/PMSM)**: - **硬件拓扑**: - **电子换向(逆变器)**:采用功率MOSFET/IGBT组成的H桥电路,通过电子开关控制定子绕组的通电顺序[^2][^3]。 - **定子绕组**:三相对称分布,直接连接逆变器输出端。 - **转子磁场**:由永磁体(如钕铁硼)提供,无需外部励磁。 - **示意图**: ```plaintext 直流电源 → 逆变器(H桥) → 定子三相绕组 → 电子换向 → 驱动转子永磁体 ``` 2. **绕组与磁场位置** - **有刷电机**: - 转子为电枢绕组,定子为永磁体或励磁绕组。 - 磁场方向通过机械换向器动态切换。 - **无刷电机**: - 定子为三相绕组(类似交流电机),转子为永磁体。 - 磁场方向由电子换向逻辑控制,与转子位置同步[^3]。 --- #### 二、**关键组件对比** | 组件 | 有刷电机 | 无刷电机 | |--------------------|-----------------------------------|-----------------------------------| | **换向机构** | 电刷+换向器(机械接触) | 逆变器+功率开关(电子换向) | | **转子结构** | 绕组线圈+换向器铜片 | 永磁体(表贴式/嵌入式) | | **定子结构** | 永磁体或励磁绕组 | 三相分布式绕组 | | **位置检测** | 无需传感器(换向器自动定位) | 霍尔传感器/编码器(或无传感器算法)| | **驱动电路** | 简单(仅需直流电源) | 复杂(需PWM控制器逆变器) | | **维护需求** | 定期更换电刷(机械磨损) | 无机械磨损(免维护) | --- #### 三、**拓扑设计特点** 1. **有刷电机**: - **优势**: - 结构简单,成本低,适合低速、低功率场景(如玩具、小家电)。 - 无需复杂控制电路,直接连接直流电源即可运行。 - **劣势**: - 电刷摩擦导致效率损失(典型效率60-75%)[^4]。 - 火花与电磁干扰(EMI)问题(换向器接触不连续)。 2. **无刷电机**: - **优势**: - 高效率(80-95%),无接触损耗[^3]。 - 高转速能力(如BLDC可达10万RPM以上)。 - 低EMI(平滑换向)。 - **劣势**: - 依赖高精度逆变器控制算法(增加硬件复杂度)。 - 需要位置反馈(传感器或估算算法)。 --- #### 四、**典型应用与拓扑选择** - **有刷电机适用场景**: - 低成本、低维护需求场景(如电动工具、玩具车)。 - 对EMI不敏感的低速设备(如家用风扇)。 - **无刷电机适用场景**: - 高动态响应需求(无人机、电动汽车驱动)。 - 长寿命、免维护场景(工业机器人、医疗器械)。 --- ### 相关问题 1. 无刷电机的电子换向电路(如H桥)如何避免上下桥臂直通短路? 2. 有刷电机的电刷材料选择对其寿命性能有何影响? 3. 无刷电机无传感器控制技术如何通过反电动势检测实现换向?
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