中心論題：

• 簡(jiǎn)單介紹永磁有刷換向直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)與混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理
• 從若干方面對(duì)這幾種電機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析比較

解決方案：

• 深入了解各種電機(jī)的特點(diǎn)有助于工程師對(duì)所需的應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)
• 選擇電機(jī)后，最好與有經(jīng)驗(yàn)的電機(jī)供應(yīng)商合作，尋求建議

雖然多數(shù)電子行業(yè)應(yīng)用都采用永磁有刷換向直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)與混合式步進(jìn)電機(jī)，工程師還是可以從各種電子電機(jī)中做出選擇，深入了解各種電機(jī)的特點(diǎn)有助于對(duì)所需的應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)。

傳統(tǒng)的有刷換向直流電機(jī)使用“電刷”——通常由含有某些金屬成份的固體石墨制成，電機(jī)轉(zhuǎn)子中有一個(gè)換向器，它用金屬棒連接到每個(gè)線圈上，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，電刷將電流傳送到換向器上，換向器將電流從一組繞組切換到另一組。無(wú)刷直流電機(jī)依靠軸位置傳感器和外部開(kāi)關(guān)電路共同產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)電流來(lái)工作。

混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了永磁和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理，在轉(zhuǎn)子軸上裝有一對(duì)或多對(duì)外圓周有很多齒的定子疊片，在每對(duì)定子疊片間有一個(gè)永磁體，會(huì)在軸向上生成北極和南極。齒的數(shù)量、電機(jī)結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)方案等幾項(xiàng)因素確定了電機(jī)的步進(jìn)角度，多數(shù)應(yīng)用指定了混合式步進(jìn)電機(jī)1.8°的步長(zhǎng)（每轉(zhuǎn)200步長(zhǎng)）（見(jiàn)參考資料)。


電機(jī)特點(diǎn)比較
為了幫助用戶選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)類型，將從以下主要特點(diǎn)開(kāi)始介紹：

負(fù)載類型：有刷和無(wú)刷直流電機(jī)可接受多種負(fù)載，包括恒定、可變、高間歇峰值（High Intermittent Peak）或不可預(yù)測(cè)的負(fù)載等；混合式步進(jìn)電機(jī)一般不能承受過(guò)載條件，而且較高的峰值負(fù)載可能造成失步或失速，只在用于恒定或可預(yù)測(cè)扭矩的負(fù)載時(shí)，才選擇混合式步進(jìn)電機(jī)。

物理尺寸和功率密度：在有刷直流電機(jī)中，由于繞組在電樞或轉(zhuǎn)子上的位置形成較高的熱阻抗，降低了散熱效果，因此，對(duì)于特定的應(yīng)用可能需要較大的有刷直流電機(jī)，才能提供所需的扭矩及更好的散熱效果。無(wú)刷直流電機(jī)中的定子繞組提供了較低的熱阻抗，因此與有刷直流電機(jī)相比，較小的無(wú)刷直流電機(jī)也同樣適用，但無(wú)刷直流電機(jī)中的驅(qū)動(dòng)電子器件增加了成本，所需的空間也較多。

盡管混合式步進(jìn)電機(jī)提供了類似于無(wú)刷直流電機(jī)的較低熱阻抗，但還是要針對(duì)“最壞情況”下的峰值扭矩來(lái)指定混合式步進(jìn)電機(jī)，這種應(yīng)用需要較大的電機(jī)封裝。但由于混合式步進(jìn)電機(jī)能在低速下輸出較高的扭矩，可免除減速箱，通常能安裝到較小的空間內(nèi)。

外殼散熱：對(duì)于特定的電機(jī)尺寸和扭矩負(fù)載，無(wú)刷直流電機(jī)需要在比其它兩種電機(jī)更低的內(nèi)部溫度下工作。無(wú)刷直流電機(jī)的外殼溫度通常與電機(jī)繞組溫度直接相關(guān)，由于有刷直流電機(jī)具有較高的內(nèi)部熱阻抗，其穩(wěn)定狀態(tài)的外殼溫度通常比繞組溫度低得多（但這會(huì)造成轉(zhuǎn)子發(fā)熱）；混合式步進(jìn)電機(jī)經(jīng)常會(huì)發(fā)熱，設(shè)計(jì)師應(yīng)該設(shè)計(jì)好產(chǎn)品，防止人員接觸發(fā)熱的電機(jī)。

典型速度：有刷直流電機(jī)通常在1,000到10,000 rpm的轉(zhuǎn)速間工作，低速運(yùn)行會(huì)造成電刷碎屑在換向器槽縫中積累，從而造成短路。有刷直流電機(jī)內(nèi)部的電刷換向器機(jī)構(gòu)限制了電機(jī)的最大速度約為10,000 rpm左右，如果需要低于1,000 rpm的速度，可采用減速箱來(lái)降低旋轉(zhuǎn)速度。

無(wú)刷直流電機(jī)中的轉(zhuǎn)子機(jī)械完整性、速度相關(guān)的內(nèi)部損耗及軸承特點(diǎn)等因素限制了電機(jī)的速度，但這種電機(jī)的速度可達(dá)到或超過(guò)10,000 rpm。根據(jù)驅(qū)動(dòng)能力的需要，采用減速箱或直接從電機(jī)輸出可以得到低于1,000 rpm的無(wú)刷直流電機(jī)的速度。

在需要低于1,000rpm的速度或需要低速下有較大扭矩時(shí)，可以選擇混合式步進(jìn)電機(jī)。切記混合式步進(jìn)電機(jī)可在其整個(gè)速度范圍內(nèi)工作，其速度取決于控制脈沖驅(qū)動(dòng)其繞組的快慢。扭矩在較高的速度時(shí)開(kāi)始快速下降，但采用低阻抗的繞組可稍微提高扭矩開(kāi)始下降的速度。

效率：由減速箱及電刷造成的機(jī)械阻力會(huì)降低有刷直流電機(jī)的效率，廠商可使用無(wú)鐵（iron-less）（有色金屬）電機(jī)構(gòu)造及貴金屬繞組來(lái)降低機(jī)械阻力，但是無(wú)鐵電機(jī)通常比定子鐵芯電機(jī)的功率密度低，而且貴金屬電刷通常比金屬石墨電刷的工作壽命要短，電流也較小。

在這些電機(jī)種類中，由于混合式步進(jìn)電機(jī)持續(xù)地吸收電流，所以效率最低。減速箱與驅(qū)動(dòng)電子器件也會(huì)降低無(wú)刷直流電機(jī)的效率，盡管無(wú)槽結(jié)構(gòu)技術(shù)可降低定位力、磁滯及粘滯損失（viscous losses）有助于補(bǔ)償效率。粘滯損失作用于電機(jī)內(nèi)部，取決于電機(jī)速度。寄生效應(yīng)，如鐵芯渦流（由變化磁場(chǎng)在背鐵（back-iron）中感應(yīng)出的電流）及磁滯（背鐵對(duì)變化磁場(chǎng)的阻力）是這些損耗的主要部分，這兩種類型的損耗都以無(wú)用的熱量形式消耗掉了，電機(jī)廠商采用背鐵較少的無(wú)槽結(jié)構(gòu)并將其放置離轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)稍遠(yuǎn)的位置，以降低這些損耗。

保持力矩：在有刷和無(wú)刷直流電機(jī)中，保持力矩取決于未激勵(lì)電機(jī)的定位力和摩擦力矩（通常較小）(定位力指由內(nèi)部磁力形成的電機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力)，可使用齒輪減速器提高電機(jī)對(duì)負(fù)載的保持力矩，在軸上安裝制動(dòng)器也能起到同樣的作用。

混合式步進(jìn)電機(jī)的保持能力取決于其定子鎖定力矩（其值通常較低），由于步進(jìn)電機(jī)永磁體具有固有的磁力，電機(jī)的定子鎖定力矩可鎖住一個(gè)未通電的步進(jìn)電機(jī)的軸，但由于混合式步進(jìn)電機(jī)可連續(xù)在最大電流下工作，只要為其供電，就能產(chǎn)生較高的保持力矩。

位置損耗：定位應(yīng)用中使用的有刷與無(wú)刷直流電機(jī)通常在閉合環(huán)路中與反饋設(shè)備共同工作，因此受位置損耗的影響較小。而混合式步進(jìn)電機(jī)通常在開(kāi)環(huán)回路中工作，系統(tǒng)無(wú)法跟蹤軸的位置，在其中增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，可提供絕對(duì)或增量的位置信息。

音頻噪音：有刷與無(wú)刷直流電機(jī)中由幾種噪音源產(chǎn)生的噪音，如果使用減速箱，噪音會(huì)增大。在組裝電機(jī)時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)子平衡處理、適當(dāng)?shù)剡x擇軸承和電刷材料有助于減少噪音，電機(jī)生產(chǎn)廠家的應(yīng)用工程師可幫助你選擇能降低噪音的電機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)中的噪音來(lái)自于軸承以及共振引起的震動(dòng)，避免讓混合式步進(jìn)電機(jī)在能產(chǎn)生共振或不穩(wěn)定情況的速度下運(yùn)行，可使用其它的驅(qū)動(dòng)方案，如微步進(jìn)來(lái)降低噪音。

電氣噪音：有刷直流電機(jī)的機(jī)械換流系統(tǒng)會(huì)比無(wú)刷直流電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)生成更多的電氣噪音，可以添加噪音抑制設(shè)備和濾波器，或請(qǐng)電機(jī)廠商幫助選擇可衰減噪音的電刷材料來(lái)降低噪音。

工作壽命：一般來(lái)說(shuō)，無(wú)刷直流電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)可工作10,000小時(shí)以上，軸承壽命和相關(guān)的徑向與軸向負(fù)載、溫度與環(huán)境等因素都會(huì)影響電機(jī)的工作壽命，這些電機(jī)較長(zhǎng)的工作壽命為其提供了最大的優(yōu)勢(shì)。有刷直流電機(jī)所使用的電刷、軸承及減速箱限制了該類型電機(jī)的工作壽命，一般在2,000至5,000小時(shí)之間，實(shí)際的工作壽命取決于電機(jī)設(shè)計(jì)、工作電流、速度等因素。
 

您在選擇一種類型的電機(jī)后，應(yīng)與一到兩家有經(jīng)驗(yàn)的電機(jī)供應(yīng)商合作，他們會(huì)為您提供所需的建議，同時(shí)，應(yīng)用工程師也可幫您選擇一種能完全滿足您設(shè)計(jì)需要的電機(jī)。