盡管刷直流電機的結構已經(jīng)存在很久，但它仍然是適用于低成本敏感型應用的可行解決方案。在刷直流電機中，通過固定的接觸器與電機轉子上的電接觸點進行磁極方向的切換（通電）。這種接觸器通常由石墨制成，與銅或其他金屬不同，它在高電流短路或斷/接動作時不會與旋轉接觸器焊接在一起，并且通常帶有彈簧加載，以提供一致的接觸壓力。

20世紀，中型和大型刷直流電機在工業(yè)和技術進步中發(fā)揮了重要作用，其理論和實踐經(jīng)過了許多專家的深入分析。對于直流電機，進行了詳細的電路、電動勢和磁場方程、性能參數(shù)以及設計、制造和實際考慮因素的研究。直流電機的理論和應用課程幾十年來一直是幾乎所有工程項目的標準組成部分，包括小型和大型電機的全面實踐實驗。

然而，隨著固態(tài)電機開關和控制器（如MOSFET和IGBT）的出現(xiàn)，刷直流電機的主導地位開始下降。取而代之的是無刷直流（BLDC）電機及其同類產(chǎn)品，如步進電機，成為主導的直流電機類型。今天，BLDC電機在汽車、硬盤驅動器、打印機、小型和中型家電等領域廣泛應用。

這種轉變的原因是顯而易見的：使用現(xiàn)代電子技術中的開關、驅動器和智能控制器，無刷電機系統(tǒng)在效率、可靠性、電磁干擾/射頻干擾、可控性和適用性等方面都表現(xiàn)更好。無刷電機沒有刷子磨損或引起電磁干擾/射頻干擾的問題。隨著無刷替代品的普及，刷直流電機的使用情況顯著減少。

然而，盡管刷直流電機被取代，但在某些應用和情況下，刷直流電機仍然是在性能、成本和可靠性方面的最佳選擇。這些應用包括廉價玩具和汽車座椅調節(jié)控制等簡單功能。此外，結合最新的控制器和MOSFET/IGBT開關使用時，只要了解其局限性，刷直流電機可以提供足夠良好的性能。由于它們只需要少量或不需要控制電子元件，整體電機/控制功能的成本相對較低。此外，基本的刷直流電機只需要兩根電源和電機之間的導線，這節(jié)省了在狹小空間中所需的布線和連接器所占的空間，并減少了電纜和連接器的成本。

盡管無刷直流電機的發(fā)展使其在許多領域中成為主導技術，但刷直流電機仍然在某些低成本應用中具有可行性。了解其優(yōu)勢和局限性，以及與最新技術的結合，可以在特定情況下選擇適合的電機類型。

刷直流電機基礎知識 除了一些特殊的例外情況（例如壓電電機），所有電機都依賴于固定部件（定子）上的電磁場、旋轉部件（轉子）上的電磁場之間的相互作用，以及如何控制和改變這些場來誘導磁吸引/排斥并引起運動，如圖1和圖2所示。

圖 1：無刷直流電機的概念布置顯示了外部磁場（此處由永磁體提供）、電刷、電樞上的換向器和實際旋轉之間的相互作用。

圖 2：實際有刷直流電機的電樞上有大量線圈繞組；這些產(chǎn)生與外部磁場相互作用的強磁場。

基本的有刷電機完全是機械的，不需要電子設備?？刂票M量簡單：接通直流電源，電機自啟動轉動；由于接觸角“死區(qū)”較小，因此存在潛在的啟動問題，但這可以通過一些機械設計調整來解決。

要反轉旋轉方向，只需將直流電源線反轉即可；調整速度（在有限范圍內），增加或減少直流電壓。通常，BDC 電機的速度（每分鐘轉數(shù)，RPM）與其勵磁線圈中的電動勢 (EMF) 成正比（EMF 是施加到它的電壓減去由于其電阻而損失的電壓），而扭矩是與所汲取的電流成正比。

那么有刷電機是如何在沒有外部控制器的情況下產(chǎn)生迫使電樞旋轉所需的旋轉磁場的呢？馬達自己做。電機外殼上相隔 180° 的一對電刷通過兩個換向器觸點（板）將施加的電流引導至電樞線圈；每個板都覆蓋了近 180° 的電樞。當電機轉動時，電源、電刷、換向器板和兩個電機線圈（繞組）之間的電流路徑每半圈自動切換一次。

電樞的磁場與轉子的磁場相互作用，轉子的磁場可以由電機機體上的固定線圈或永磁體產(chǎn)生。當轉子轉動時，其磁場會反轉，因此電機會繼續(xù)轉動，因為線圈產(chǎn)生的磁場會根據(jù)外部線圈或永磁體產(chǎn)生的磁場進行切換并被吸引/排斥。

請注意，多年來，永磁體的使用僅適用于微型電機，例如玩具，因為對于合理的尺寸和重量來說，磁鐵的功率不夠大。然而，使用稀土材料的高能永磁體的開發(fā)改變了這一點，使得基于 PM 的 BDC 電機適用于更大的電機——即使在分數(shù)馬力范圍內。雖然 PM 方法效率更高，因為外部勵磁線圈不需要電源，但它降低了系統(tǒng)在控制電機行為方面的自由度。無論是 PM BDC 電機還是勵磁線圈設計是更好的選擇，都需要權衡尺寸、成本、重量、所需的控制和其他因素。

超越有刷電機基礎知識

在基本形式中，BDC 電機是優(yōu)雅和簡單的典范。事實上，許多針對青少年的基礎科學工具包都使用簡單的有刷電機來演示基本的電磁原理，以及如何使用它們的相互作用來產(chǎn)生有用的運動，圖 3。沒有電子元件，所有的動作和電流 -流動路徑是可見的。

圖 3：電機不能比這個學生項目版本更簡單，它使用永磁體作為外部（定子）磁場，使用回形針作為電刷，使用小線圈作為電樞繞組；它直接由電池供電。

所討論的簡單、基本的 BDC 電機就是：簡單和基本。然而，考慮到這些電機在 100 多年來的許多應用和尺寸，它們一直在使用，已經(jīng)設計了許多變體來克服某些弱點或優(yōu)化特定應用中的性能。其中許多都集中在定子勵磁線圈的繞組或電樞上的線圈上。其他變體永久或臨時添加電容器和電阻器以調節(jié)電壓、限制電流或改變相對電壓/電流相位關系。

在實踐中，大多數(shù)直流電機不僅僅是簡單版本的兩個電樞極。除了其他好處之外，增加更多的磁極可以讓電機從任何旋轉角度更可靠地啟動（簡單版本有兩個小死區(qū)）。另外，短路時也沒有電流可以瞬間流過的位置。有些系統(tǒng)可以容忍每次旋轉兩次短暫短路，而許多系統(tǒng)則不能接受。

定子的勵磁線圈可以采用多種配置，圖 4。最常見的配置是串聯(lián)繞組、并聯(lián)繞組和復合繞組（串聯(lián)和并聯(lián)的組合）。在串聯(lián)電機中，勵磁線圈與電樞線圈串聯(lián)（通過電刷）；在并聯(lián)電機中，這些勵磁線圈并聯(lián)連接（“分流”是“并聯(lián)”連接的另一個術語）到電樞線圈。

圖 4：（從左到右）在串聯(lián)配置中，勵磁線圈 S1-S2 與電樞線圈 A1-A2 串聯(lián)；對于并聯(lián)繞組，勵磁線圈F1-F2與電樞線圈A1-A2并聯(lián)；對于復合方法，勵磁線圈 S1-S2 串聯(lián)，F(xiàn)1-F2 與電樞線圈 A1-A2 并聯(lián)。

每種接線配置都提供了速度與扭矩、啟動和運行扭矩以及處理負載變化的能力的控制和性能的不同平衡。一些先進的設計對定子的勵磁繞組和轉子的電樞繞組使用獨立的勵磁控制，以實現(xiàn)更大的靈活性和更嚴格的控制。

有刷電機進入 21 世紀

盡管 BLDC 電機有許多優(yōu)點，但有刷電機仍然可用并且正在得到增強。雖然基本電機設計在許多方面相對沒有變化，但有兩個重大發(fā)展：廣泛使用永磁體而不是勵磁線圈，以及使用 IC 和電子開關實現(xiàn)線圈驅動和反饋功能。

Digilent290-008是基本 6-V BDC 電機的示例，圖 5。它包括一個 1:53 減速齒輪箱以提高扭矩，額定扭矩為 0.7 kgf-cm（最大）。雖然電源連接只需要兩條引線，但電機/齒輪箱帶有一個六引線連接器。其他四根引線用于集成霍爾效應傳感器對，用于指示旋轉和方向，使用標準 AB 正交方法。

圖 5：Digilent 的 290-008 6-V 直流電機是基本有刷電機的一個很好的例子；它只需要用于供電的正負引線，還包括一對霍爾效應設備和四根用于檢測旋轉和方向的附加電線，這是反饋控制所必需的。

該電機在 6V 時的自由運行、空載電流為 220mA，速度為 150RPM；滿載額定電流在 125RPM 時為 480mA，失速電流為 1.8A，扭矩為 4.1 kgf-cm。這個小電機加上它的齒輪箱（長 54 毫米，直徑 22 毫米，加上連接器）的線圈電阻僅為 3.3Ω。圖 6 的性能圖顯示了五個關鍵參數(shù)（使用 6V 電源）之間的相互作用：1) 扭矩，2) 速度，3) 電流，4) 輸出功率和 5) 效率。

圖 6：這張圖顯示了 Digilent 290-008 電機的所有主要工作參數(shù)以及它們在整個工作范圍內的變化情況。

盡管無刷電機可以直接通過直流電源軌運行，但使用“合適的”驅動器組件不僅可以提供必要的驅動電流，還可以提供幾乎每個電機子系統(tǒng)都需要的各種保護功能，這是有好處的。Texas InstrumentsDRV8412雙路全橋 PWM 電機驅動器是其廣泛的DRV8x集成電機驅動器系列的成員，可處理兩個獨立的無刷電機（以及步進電機）。它具有高效驅動器（高達 97%）以最大限度地減少熱耗散和相關問題，圖 7，并且可以為電機提供 2 × 7A（連續(xù)）或 2 × 12A（峰值）。

圖 7：Texas Instruments 的 DRV8412 雙電機驅動器不僅可以處理兩個獨立的有刷電機，還可以針對各種故障、熱和過流情況提供關鍵保護。圖片來源：德州儀器

微型 IC（僅 14.00mm × 6.10mm）具有保護系統(tǒng)，可保護設備免受可能損壞系統(tǒng)的各種故障情況的影響。其中包括短路保護、過流保護、欠壓保護和兩級熱保護。它還具有一個限流電路，可防止設備在電機啟動等負載瞬態(tài)期間“錯誤”關閉（大致類似于使用慢熔保險絲而不是快速熔斷保險絲）?？删幊踢^流檢測器允許調節(jié)電流限制和保護級別以滿足不同的電機要求。

該系列的成員為每個半橋提供獨立的電源和接地引腳，可通過外部分流電阻器進行電流測量，并支持使用具有不同電源電壓的多個電機。當兩個電機的尺寸不同從而需要不同的電源電壓時，這很有用，例如在廣告顯示器中，使用非常小的電機在顯示器上揮動吸引注意力的旗幟，而使用較大的電機旋轉整個顯示器。

概括

毫無疑問，由于許多堅實的技術原因，直流供電的有刷電機在很大程度上已被電子控制的無刷電機所取代。盡管如此，在要求不高、成本敏感的應用或要求有限的情況下，有刷電機可能是一種有效的解決方案。通過將有刷電機與基本電機驅動器 IC 相結合，有刷電機和最終產(chǎn)品可以實現(xiàn)許多額外的運行和保護優(yōu)勢。沒有至少考慮 BDC 電機的設計目標和屬性就自動假定無刷是正確的選擇是短視的。