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有刷電機和無刷電機的區別

閱讀次數:247    發布時間: 2022-10-27 10:10:55

一、有刷電機工作原理

有刷電機是大家最早接觸的一類電機,中學時物理課堂上介紹電動機也是以它為模型來展示的。有刷電機的主要結構就是定子+轉子+電刷,通過旋轉磁場獲得轉動力矩,從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦,在轉動中起到導電和換相作用。

有刷電機采用機械換向,磁極不動,線圈旋轉。電機工作時,線圈和換向器旋轉,磁鋼和碳刷不轉,線圈電流方向的交替變化是隨電機轉動的換相器和電刷來完成的。

在有刷電機中,這個過程是將各組線圈的兩個電源輸入端,依次排成一個環,相互之間用絕緣材料分隔,組成一個象圓柱體的東西,與電機軸連成一體,電源通過兩個碳元素做成的小柱子(碳刷),在彈簧壓力的作用下,從兩個特定的固定位置,壓在上面線圈電源輸入環狀圓柱上的兩點,給一組線圈通電。

隨著電機轉動,不同時刻給不同線圈或同一個線圈的不同的兩極通電,使得線圈產生磁場的N-S極與最靠近的永磁鐵定子的N-S極有一個適合的角度差,磁場異性相吸、同性相斥,產生力量,推動電機轉動。碳電極在線圈接線頭上滑動,象刷子在物體表面刷,因此叫碳“刷”。

相互滑動,會摩擦碳刷,造成損耗,需要定期更換碳刷;碳刷與線圈接線頭之間通斷交替,會發生電火花,產生電磁破,干擾電子設備。

二、 無刷電機工作原理

無刷電機中,換相的工作交由控制器中的控制電路(一般為霍爾傳感器+控制器,更先進的技術是磁編碼器)來完成。

無刷電機采取電子換向,線圈不動,磁極旋轉。無刷電機,是使用一套電子設備,通過霍爾元件,感知永磁體磁極的位置,根據這種感知,使用電子線路,適時切換線圈中電流的方向,保證產生正確方向的磁力,來驅動電機。消除了有刷電機的缺點。

這些電路,就是電機控制器。無刷電機的控制器,還可以實現一些有刷電機不能實現的功能,比如調整電源切換角,制動電機,使電機反轉,鎖住電機,利用剎車信號,停止給電機供電?,F在電瓶車的電子報警鎖,就充分利用了這些功能。

無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的,所以不會象變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組,也不會在負載突變時產生振蕩和失步。

三、 調速方式區別

實際上兩種電機的控制都是調壓,只是由于無刷直流采用了電子換向,所以要有數字控制才可以實現了,而有刷直流是通過碳刷換向的,利用可控硅等傳統模擬電路都可以控制,比較簡單。

1、有刷馬達調速過程是調整馬達供電電源電壓的高低。調整后的電壓電流通過整流子及電刷地轉換,改變電極產生的磁場強弱,達到改變轉速的目的。這一過程被稱之為變壓調速。

2、無刷馬達調速過程是馬達的供電電源的電壓不變,改變電調的控制信號,通過微處理器再改變大功率MOS管的開關速率,來實現轉速的改變。這一過程被稱之為變頻調速。

四、 性能差異

TI的一個介紹視頻關于有刷電機與無刷電機的對比,如下圖所示,很完整。

1、有刷電機結構簡單、開發時間久、技術成熟

早在十九紀誕生電機的時候,產生的實用性電機就是無刷形式,即交流鼠籠式異步電動機,這種電動機在交流電產生以后得到了廣泛的應用。但是,異步電動機有許多無法克服的缺陷,以致電機技術發展緩慢。

尤其是直流無刷電機一直無法投入商業運營,伴隨著電子技術的日新月異,直至近幾年才慢慢投入商業運營,就其實質來說依然屬于交流電機范疇。

無刷電機誕生不久,人們就發明了直流有刷電機。由于直流有刷電機機構簡單,生產加工容易,維修方便,容易控制;直流電機還具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能,所以一經問世就得到了廣泛應用。

2、直流有刷電機響應速度快,起動扭矩大

直流有刷電機起動響應速度快,起動扭矩大,變速平穩,速度從零到最大幾乎感覺不到振動,起動時可帶動更大的負荷。無刷電機起動電阻大(感抗),所以功率因素小,起動扭矩相對較小,起動時有嗡嗡聲,并伴隨著強烈震動,起動時帶動負荷較小。

3、直流有刷電機運行平穩,起、制動效果好

有刷電機是通過調壓調速,所以起動和制動平穩,恒速運行時也平穩。無刷電機通常是數字變頻控制,先將交流變成直流,直流再變成交流,通過頻率變化控制轉速,所以無刷電機在起動和制動時運行不平穩,振動大,只有在速度恒定時才會平穩。

4、直流有刷電機控制精度高

直流有刷電機通常和減速箱、譯碼器一起使用,使的電機的輸出功率更大,控制精度更高,控制精度可以達到0.01毫米,幾乎可以讓運動部件停在任何想要的地方。

所有精密機床都是采用直流電機控制精度。無刷電機由于在啟動和制動時不平穩,所以運動部件每次都會停到不同的位置上,必須通過定位銷或限位器才可以停在想要的位置上。

5、直流有刷電機使用成本低,維修方便

由于直流有刷電機結構簡單,生產成本低,生產廠家多,技術比較成熟,所以應用也比較廣泛,比如工廠、加工機床、精密儀器等,如果電機故障,只需更換碳刷即可,每個碳刷只需要幾元,非常便宜。

無刷電機技術不成熟,價格較高,應用范圍有限,主要應在恒速設備上,比如變頻空調、冰箱等,無刷電機損壞只能更換。

6、無電刷、低干擾

無刷電機去除了電刷,最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉時產生的電火花,這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設備的干擾。

7、噪音低,運轉順暢

無刷電機沒有了電刷,運轉時摩擦力大大減小,運行順暢,噪音會低許多,這個優點對于模型運行穩定性是一個巨大的支持。

8、壽命長,低維護成本

少了電刷,無刷電機的磨損主要是在軸承上了,從機械角度看,無刷電機幾乎是一種免維護的電動機了,必要的時候,只需做一些除塵維護即可。

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