在刷牙和无刷直流伺服电机之间做出选择

在工程中，没有完美的解决方案，只是手头应用的最佳解决方案。运动控制器的用例随着空间探索应用而变化，成本是无关紧要的和可靠性要求，绝对到运行24/7的高速包装线。幸运的是，设计团队有各种选择可供选择。制作的一个关键决策是是否使用刷式直流电机或无刷直流电机。

拉丝直流电机
在我们讨论权衡之前，让我们从一些电机基础开始。电动机由转子（也称为电枢）和定子组成。尽管存在许多变化，包括固定转子和旋转定子，用于本文的目的，让我们将讨论限制在旋转电动机上，旋转电机，围绕着围绕的旋转转向的固定定子。该定子由一对具有相对磁极的永磁体组成，而电枢由横杆组成，横杆缠绕在每侧相反的方向上（见图1）。当两个线圈连接到电源时，它们用作具有相反极性的电磁体（参见教程拉丝直流电机更多细节）。

电动机以洛伦兹力为基础运行，在洛伦兹力中，磁场对载流导线回路施加力侧边栏 - 教程：拉丝直流电机）.这使转子绕轴转动。洛伦兹力产生的扭矩是一个叉积，这意味着一旦转子绕组形成的电磁铁的磁极与定子磁体相反的磁极对齐，力就会降为零，转子就停止转动。

然而，反转线圈中电流的方向将反转电磁铁的极性。力将重新出现，转子将恢复其运动。如果每次定子刚刚刚刚垂直移动，则转子将继续转动并做实用的工作。

要在频繁和控制的基础上更改电流方向，拉丝DC电机需要换向器。这是一个分开环，其一侧附接到转子的每个线圈。随着转子转动，换向器也是如此。为了涂抹电流，一对固定刷从相对侧压对换向器（见图2）。当换向器/转子组件转动换向器的每一侧均匀地触点另一个刷子/电流源，然后依次触及另一个刷子/电流源。结果，转子线圈中的电流每180°反转以保持电动机转动。

为了便于讨论，这是一个非常简单的模型。正如教程解释的，出于实际原因，有刷直流电机通常是三相或更高。

刷子可以用多种材料制成，包括铜石墨或银石墨等碳基合金，或金、银、铂等贵金属。最合适的选择取决于应用程序。

石墨刷形成为固体件。他们自润滑，往往是相当强大的。它们适合高速运行的较大电动机（以上1000 rpm）。缺点是，它们倾向于在可以污染换向器并导致间歇失败的时间随时间产生碎片。必须以足够高的速度使用它们来抹去任何碎片。

贵金属刷由单独的股线组成，使它们比其基于碳的对应物更脆弱。然而，它们具有更好的性能，具有较低的电噪声和可听噪音。它们在低占空比应用中更紧凑，有效。它们也适合低压系统，因为换向器和刷子之间的电压降趋于低。在缺点时，它们不自润滑，导致随着时间的推移和外部润滑剂的要求。

优点
有刷直流电机是运动控制的主力。他们是经济和简单使用。因为它们不需要机载电子设备，它们可以忍受极端环境。如果电刷的选择和维护得当，有刷直流电机可以使用很长时间。它们非常适合中低速应用。

拉丝电机需要了解情况。超过指定的电流密度，例如，刷子会烧坏。在超速时，它们可以从换向器上飞。它们可能需要特殊的住宿进行高空使用，例如掺杂剂，如二硫化钼或碳酸锂。

添加换向器和刷子的尺寸增加。刷子需要定期维护，因此电机需要在可访问的位置。由于带有绕组的转子位于内部，所以刷子电机只能在气隙上消散废热，使热管理成为一个重要问题。刷子上的电压降也可以降低效率。

最后，电刷与换向器接触的摩擦进一步降低效率并产生可听到的噪声。它在高速时减少扭矩。加上换向器上的缺陷，摩擦也会导致电弧和增加电磁干扰(EMI);在最坏的情况下，这些影响会产生火花，使这些装置不适合爆炸环境。

无刷直流电机
无刷DC（BLDC）电机或电子换向器电机（ECM），提供替代品。BLDC电机是永磁同步电动机。它们可以作为伺服电机运行，也可以作为步进电机。该术语还包括开关磁阻电动机。出于比较的目的，让我们考虑一个常见的BLDC电机设计，基本上是刷式DC电机的转动。永磁体安装在转子上，而定子由带线圈的层压笼组成。结果，转子不需要任何布线，电机也不需要换向器和刷子。

虽然它们被归类为DC电机，但耗尽直流电源，BLDC电机与AC电机很多。为了保持转子转动，定子的绕组必须基本上依次通电，它看起来像一个开关电流源，通常在用于伺服电动机控制时具有正弦波形。为了确保定子绕组产生的磁场分布与转子的磁场分布，BLDC电动机监测转子的角位置，通常具有霍尔效应传感器。该反馈用于控制电流的切换到线圈。

由于BLDC电机不包括刷子和机械换向器，因此它们比拉刷版更紧凑。它们每帧尺寸提供更高的输出。缺乏刷子减少了维护，使转子能够在没有损坏的情况下以更高的速度转动。减少摩擦力达到速度/扭矩曲线并消除电弧，降低EMI。将发热绕组移动到外部简化了热管理。该方法还减少了转子惯量，使BLDC伺服电机能够提供改进的动态响应。在刷子上没有电压下降，效率会增加。

在缺点，BLDC电机比机械通货膨胀对应更复杂。板载电子产品显着增加成本。

正如我们在本文开头所讨论的那样，要求推动电机的选择。具有适度规格的预算约束项目可以用刷式直流电机进行精细。如果性能和占空比更为重要，则BLDC电机可能是更好的解决方案。OEM和最终用户应考虑到不仅仅是电机功能，而且要考虑其员工的能力，以建立和维护设备。只有通过做出明智的选择决定，他们只能到达有效的解决方案。