不要忽视不起眼的有刷直流电机

跳跃的开发板

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。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。
在20世纪，大中型有刷电机在工业和先进制造领域中发挥着巨大的作用，直流电机的基本理论也被查尔斯·斯坦梅茨(Charles Steinmetz)等杰出人物广泛分析，这包括详细的，电动势、磁场方程、性能参数(速度，扭矩，控制和效率)、设计、制造等。几十年来，直流电机理论和与应用的课程几乎是所有工科专业的标准课程，这些课程包含全面的小型和大型电动机实验室课程。
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。
更进一步的，综合使用最新的控制器、MOSFET / IGBT开关，并且充分了解其局限性，就可以让电极提供足够好的性能。由于它们几乎不需要电子控制装置，所以整个电机控制系统相当便宜。此外，基本的BDC电机在和电机之间只需要两根电缆，这样就可以节省配线和连接器所需的空间，并降低电缆和连接器的成本。
有刷电机基础
所有电机(特殊的除外，例如压电电机)的工作都依赖于定子与转子电磁场之间的相互作用，这些电磁场被控制，从而周期性的在定子和转子之间产生引力和斥力，进而引起运动，如图1和图2所示。

图1：无刷直流电机外部磁场(由永磁体提供)，电刷，电枢上的换向器及运动原理。图片来源：

图2：有刷直流电机在其电枢上绕有大量的线圈，所产生强大的磁场与外部磁场(此处由永磁体提供)相互作用产生旋转运动。图片来源：Clemson University
基本的有刷电机已经完全机械化，不需要电子设备参与。控制也十分简单：连接直流电源，电机自启动然后旋转。由于小接触角度形成一个“死区”，所以有刷直流电机有着潜在的启动问题，但这可以通过一些机械设计调整来解决。
要实现反向旋转，只需将直流电源线对调，要调整运动速度(在有限的范围内)，只需要升高或降低供电电压。一般来说，BDC电机的转速与其励磁线圈的电动势(EMF)成正比(EMF是施加于其上的电压减去由于电阻损失的电压)，而转矩与电流成比例。
那么有刷电机是如何产生使其电枢旋转所需的旋转磁场，而无需外部控制器的呢?是电机自己完成这项工作的。在电机壳体上有一对180°分开的电刷，这对电刷通过两个换向器触点(金属板)将施加的电流引导到电枢线圈上; 每个金属板覆盖近180°的电枢。当电机转动时，电源，电刷，换向器金属板和两个电机线圈(绕组)之间的电流回路每转半圈就自动切换一次。
电枢的磁场与转子的磁场相互作用，转子的磁场可以通过电机本体上的固定线圈产生，也可以通过永磁体产生。当转子转动时，其磁场方向也要反转，从而电机保持转动，因为线圈产生的磁场的方向是一直切换的，并且被外部线圈或永磁体产生的磁场吸引/排斥。
请注意，一直来，永磁体的使用范围仅限于微型电机，例如玩具，因为在尺寸和重量都比较合理的情况下，磁体的强度并不足够大。但是，使用稀土材料的高能量永磁体的发展改变了这个局面，这使得基于PM的BDC电机适用于大型电机，即使在分马力范围内也是如此。尽管由于外部励磁线圈不需要电源而使得PM方法效率更高，但它会降低系统控制电机行为的自由度。无论是PM BDC电机还是励磁线圈的设计，都需要权衡尺寸、成本、重量、控制需要等因素。
超越基本有刷电机
在基本形式中，BDC电机是优雅和简单的典范。事实上，许多为年轻人提供的基础科学工具都是使用一个简单的拉丝马达来展示电学和磁学的基本原理以及它们之间的相互作用是如何产生有效运动的，如图3所示。这个过程不需要电子器件，并且所有的动作和电流路径都是可见的。

图3：没有比这个学生项目版本更简单电机了，它使用永磁体产生外部(定子)磁场，使用回形针作为电刷，使用小线圈作为电枢绕组线圈; 它直接通过运行。
所讨论的BDC电机是这样的：简单和基本。然而，鉴于这些电机的许多应用和规格已经被投入使用有100多年了，所以开发者也设计出许多新的变体来克服电机的某些弱点或者在特定应用中优化其性能。其中有许多变体集中于通过改变定子的励磁线圈和电枢线圈。而一些其他的变体通过永久性或者暂时性添加电容器和电阻器来调整电压，限制电流或者改变电压/电流的相位关系。
在实践中，大多数直流电机都不仅仅是两个简单版本电枢极的组合。除了其他好处外，更多的极点可使电机从任何旋转角度更可靠地启动(简单版本有两个小的死区)。而且，这样的电机不允许瞬态短路电流通过，有些系统每转允许有两次短暂的短路电流通过，但是很多系统都不能做到这一点。
定子的励磁线圈有多种配置，如图4所示。最常见的配置是串联绕组，分流绕组和复合绕组(串联和分流的组合)。在串联绕组式电动机中，励磁线圈与电枢线圈(通过电刷)串联; 在分流绕组式电动机中，励磁线圈与电枢线圈并联(“分流”是用于“并联”的另一种表述方式)。

图4 从左到右)在串联绕组结构中，励磁线圈S1-S2与电枢线圈A1-A2串联; 对于分流绕组，励磁线圈F1-F2与电枢线圈A1-A2并联; 对于复合方式，励磁线圈S1-S2串联，F1-F2与电枢线圈A1-A2并联。
每种布线方式都提供了不同的控制、速度性能以及扭矩，启动和运行转矩以及处理负载变化的能力。一些先进的设计对定子的励磁绕组和转子的电枢绕组使用独立的励磁控制，以获得更大的灵活性和更严格的控制。
有刷电机进入21世纪
尽管BLDC电机有许多优点，但有刷电机仍然可用，并且其性能正在逐渐提高。虽然电机的设计方式在许多方面相对不变，但仍有两个重要的发展：其一是永磁体得到了广泛使用，另一个是IC和电子开关被用于线圈驱动和功能反馈。
如图5所示，Digilent 的290-008是6V BDC电机的一个例子。它包括一个1:53减速齿轮箱，用于提高扭矩，额定值为0.7 kgf-cm(最大值)。尽管电源连接只需要两根导线，但电机/变速箱还带有一个六引脚连接器。其他四个导线用于连接集成霍尔效应器对，该传感器对用于表示转数和方向，使用标准的A-B正交方法。

图5：Digilent的290-008型6 V直流电机是基本有刷电机的一个很好的例子。它不但需要为电源分配导线，还包括一对霍尔效应器件和四个额外的电线，用于感应反馈控制所需的旋转和方向。图片来源：Digilent
该电机在6V电压下自主运行时的空载电流为220mA，速度为150RPM; 125RPM情况下的满载额定电流为480mA，失速电流为1.8A，转矩为4.1kgf-cm。这个小型电机及齿轮箱(长度54mm，直径22mm，加上连接器)的线圈电阻仅为3.3Ω。图6的曲线图显示了在6V电源供电情况下五个关键参数之间的相互影响：1)转矩，2)转速，3)电流，4)输出，5)效率。

图6：该图显示了Digilent 的290-008电机的主要操作参数，以及它们在整个操作范围内的变化情况。图片来源：Digilent
尽管无刷电机可以直接通过直流电源运行，但使用“合适的”驱动器件不仅能提供必要的驱动电流，而且还能提供几乎每个电机子系统所需的各种保护功能。德州仪器(TI)DRV8412双路全桥PWM电机驱动器是DRV8x系列集成电机驱动器中的一员，可处理两个独立的无刷电机(以及步进电机)。它具有很高的驱动效率(高达97%)，可以最大限度地减少散热和相关问题，如图7所示，它可以为电机提供2×7A(连续)或2×12A(峰值)的驱动电流。

图7：德州仪器(TI)的DRV8412双电机驱动器不仅能处理两个独立的有刷电机，还能为各种故障，过热和过流情况提供保护。图片来源：德州仪器
微型芯片(仅14.00mm×6.10mm)具有保护系统，能够保护设备以免受到各种故障的损害。这些包括短路保护，过电流保护，欠压保护和两级热保护。此外，它还有一个限流电路，可以防止在负载瞬变过程中设备因“错误”而关断，比如电机启动过程(相当于使用慢速熔断器而不是快速熔断器)。可编程过电流探测器可以调节电流限制和保护水平，以满足不同的电机要求。
该系列产品的每个半桥都有独立的电源和接地引脚，这样就可以通过外部分流电阻对电流进行测量，并且支持由不同电源电压供电的多个电机同时使用。当两个电机因尺寸不同而需要不同的电源电压时，这样的设计是非常有用的，例如广告显示屏需要小型电机挥动引人注目的标志，同时需要更大的电机来旋转整个显示器。
总结：
毫无疑问，由于许多可靠的技术原因，直流供电的有刷电机在很大程度上已经被电子控制的无刷电机取代。尽管如此，在要求不高，对成本敏感的应用或者要求有限的情况下，有刷电机仍然是一个有效的方案。通过将有刷电机与基本电机驱动器IC相结合，有刷电机和最终产品就可以实现许多额外的操作并且拥有更好的保护措施。显然，在没有查看BDC电机的设计目标和属性的情况下就认为无刷电机是正确的选择，这样的想法是目光短浅的表现。