馬拉松電機帶您了解無刷電機VS有刷電機

直流電機主要有直流有刷電機和無刷直流電機兩種?！　?．? 有刷直流電機　　直流電機以良好的啟動性能、調速性能等優點著稱，其中屬于直流電機一類的有刷直流電機采用機械換向器，使得驅動方法簡單，其模型示意圖如圖 1.2 所示?！　‰姍C主要由永磁材料制造的定子、繞有線圈繞組的轉子（電樞） 、換向器和電刷等構成。只要在電刷的A和B當兩端通過一定的直流電流時，電機的換向器會自動改變電機轉子的磁場方向，使直流電機的轉子繼續運行。

由些可見，換向器和電刷在直流電機中扮演著重要的角色，雖然它可以簡化電機控制器的結構，但是，它自身卻存在一定的缺點：　　z ?結構相對復雜，增加了制造成本；　　z ?容易被環境（如灰塵等）影響，降低了工作的可靠性；　　z ?換向時會產生火花，限制了使用范圍；　　z ?容易損壞，增加了維護成本等?！　?．? 無刷直流電機　　無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）的誕生，克服了有刷直流電機的先天性缺陷，以電子換向器取代了機械換向器，所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調速性能等特點，又具有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優點?！　D 1.3 無刷直流電機模型為圖 1.2轉換模型。它主要由永磁材料制成的轉子、帶線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無)組成?？梢娝椭绷麟姍C有很多共同點，定子和轉子的結構差不多(原定子變成轉子，轉子變為定子） ，繞組的連線也基本相同。但是，結構上它們有一個明顯的區別：無刷直流電機沒有直流電機中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機結構就相對簡單，降低了電機的制造和維護成本，但無刷直流電機不能自動換向 （相） ，犧牲的代價是電機控制器成本的提高 （如同樣是三相直流電機，有刷直流電機的驅動橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機的驅動橋則需要 6 只功率管） ?！　D 1.3 是小功率三相、星形連接、單副磁對極的無刷直流電機之一。它的定子、轉子、結構和圖 1.2 顯示的直流電機非常相似。另一種無刷直流電機的結構與此相反。其定子在外，轉子在內，即由線圈繞組組成的座椅，轉子由永磁材料制成。

無刷直流電機有以下的特點：　　z ?無刷直流電機的外特性好，能夠在低速下輸出大轉矩，使得它可以提供大的起動轉矩；　　z ?無刷直流電機的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運行；　　z ?無刷直流電機的效率高、過載能力強，使得它在拖動系統中有出色的表現；　　z? 無刷直流電機的再生制動效果好，由于它的轉子是永磁材料，制動時電機可以進入發　　電機狀態；　　z ?無刷直流電機的體積小，功率密度高；　　z? 無刷直流電機無機械換向器，采用全封閉式結構，可以防止塵土進入電機內部，可靠　　性高；　　z ?無刷直流電機比異步電機的驅動控制簡單?！　?.2.2? 無刷直流電機的工作原理　　無刷直流電機的定子是線圈繞組電樞，轉子是永磁體。如果只給電機通以固定的直流電流，則電機只能產生不變的磁場，電機不能轉動起來，只有實時檢測電機轉子的位置，再根據轉子的位置給電機的不同相通以對應的電流，使定子產生方向均勻變化的旋轉磁場，電機才可以跟著磁場轉動起來?！　∪鐖D 1.4 顯示了無刷直流電機的旋轉原理示意圖。為便于描述，電機定子線圈中心的抽頭連接電機電源 POWER，各相端點連接功率管，位置傳感器導通時使功率管 G極接 12V，功率管通電，相應的相線圈通電。由于三位傳感器隨轉子旋轉，相應的相線圈依次通電，定子產生的磁場方向不斷變化，電機轉子也隨之旋轉，這是無刷直流電機的基本旋轉原理——檢測轉子位置，依次通電，使定子產生的磁場方向連續均勻變化。

在下文介紹無刷直流電機的有位置傳感器驅動的一節，將會進一步介紹無刷直流電機的轉動原理?！　榱朔奖憷斫?，本文檔以下內容統一用如圖 1.這兩個符號作為模型介紹，圖 A圖為電機轉子和定子在同一個圓心上B 是為了方便電機內部磁場的解釋，用于不同的圓心。詳見下文。

1.3? 無刷直流電機的驅動方法　　無刷直機電機的驅動方式按不同類別可分多種驅動方式，它們各有特點?！　“打寗硬ㄐ危骸　 方波驅動，方便實現電機無位置傳感器控制；

z 正弦驅動可以提高電機的運行效果，使輸出扭矩均勻，但實現過程相對復雜。同時，這種方法是 SPWM 和 SVPWM(空間矢量 PWM）兩種方式，SVPWM效果比 好SPWM。

有刷電機的工作原理

刷電機是第一種接觸電機，在中學物理課上介紹的電機也以其為模型顯示。刷電機的主要結構是定子 轉子 刷，通過旋轉磁場獲得旋轉扭矩，從而輸出動能。刷與換向器不斷接觸摩擦，在旋轉過程中發揮導電和換相作用。

刷電機采用機械換向，磁極不移動，線圈旋轉。當電機工作時，線圈和換向器旋轉，磁鋼和碳刷不旋轉，線圈電流方向的交替變化由電機旋轉的換向器和刷完成。

在刷電機中，這個過程是將每組線圈的兩個電源輸入端依次排列成一個環，用絕緣材料相互分離，形成一個圓柱形的東西，與電機軸相連。電源由兩個碳元素制成的小柱(碳刷)在彈簧壓力的作用下，從兩個特定的固定位置壓在上線圈電源輸入環柱的兩點，給一組線圈通電。

隨著電機的旋轉，不同的線圈或同一線圈同一線圈的不同兩極通電，使線圈產生磁場N-S極與較靠近的永磁鐵定子的N-S非常合適的角度差異，磁場異性吸力，同性排斥，產生力量，促進電機旋轉。碳電極滑動在線圈接線頭上，就像刷子在物體表面刷一樣，所以它被稱為碳刷。

相互滑動會摩擦碳刷，造成損失，需要定期更換碳刷；碳刷與線圈接線頭交替，會產生電火花、電磁損傷，干擾電子設備。

無刷電機的工作原理

在無刷電機中，換相工作由控制器中的控制電路(通常是霍爾傳感器 控制器，更先進的技術是磁編碼器)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。

這些電路是電機控制器。無刷電機控制器還可以實現一些無法實現的功能，如調整電源切換角、制動電機、逆轉電機、鎖定電機、使用制動信號停止電機供電等。目前，電池車的電子報警鎖已充分利用這些功能。

無刷直流電機由電機主體和驅動器組成，是典型的機電一體化產品。由于無刷直流電機是自動控制的，轉子上不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣增加啟動繞組，負載突變時也不會產生振蕩和失步。

刷電機和無刷電機調速的區別

事實上，兩種電機的控制是壓力調節，但由于無刷直流采用電子方向，因此可以實現數字控制，刷直流通過碳刷方向，傳統模擬電路可以控制，相對簡單。

1.刷電機調速過程是調節電機供電電源電壓。調整后的電壓電流通過整流子和刷子轉換，改變電極產生的磁場強度，達到改變速度的目的。這個過程叫變壓調速。

2.無刷電機的調速過程是電機供電電壓不變，通過微處理器改變電調控制信號和大功率MOS為了實現轉速的變化，管道的開關速率。這一過程稱為變頻調速。

性能差異

ti有刷電機和無刷電機的對比視頻如下圖所示，非常完整。

1.刷電機結構簡單，開發時間長，技術成熟

早在19紀電機誕生時，實用電機就是無刷電機，即交流鼠籠異步電機，在交流電源產生后得到了廣泛的應用。然而，異步電機存在許多不可克服的缺陷，導致電機技術發展緩慢。特別是直流無刷電機不能投入商業運行，隨著電子技術的快速變化，直到近年來才慢慢投入商業運行，本質上仍屬于交流電機的范疇。

無刷電機誕生后不久，人們就發明了直流有刷電機。由于直流有刷電機機構簡單，生產加工方便，維護方便，控制方便；直流電機還具有響應快、啟動扭矩大、從零轉速到額定轉速的性能，一經問世就得到廣泛應用。

2.直流刷電機響應速度快，啟動扭矩大

直流刷電機啟動響應速度快，啟動扭矩大，變速穩定，速度從零到較大幾乎感覺不到振動，啟動可以驅動更大的負載。無刷電機啟動電阻大（感應阻力），功率因素小，啟動扭矩相對較小，啟動時嗡嗡作響，振動強，啟動時驅動負荷小。

3.直流刷電機運行平穩，制動效果好

有刷電機通過調壓調速，啟動制動平穩，恒速運行平穩。無刷電機通常由數字變頻控制。首先，交流變為直流，然后直流變為交流，速度由頻率變化控制。因此，無刷電機在啟動和制動過程中運行不穩定，振動較大，只有在速度恒定時才能穩定。

4.直流刷電機控制精度高

直流刷電機通常與減速器和翻譯器一起使用，使電機輸出功率更大，控制精度更高，控制精度可達0.01毫米幾乎可以讓運動部件停在任何你想要的地方。所有精密機床均由直流電機控制。由于無刷電機在啟動和制動過程中不穩定，運動部件每次都會停在不同的位置，必須通過定位銷或限位器停在所需位置。

5、直流刷電機使用成本低，維護方便。由于直流刷電機結構簡單，生產成本低，廠家多，技術成熟，應用廣泛，如工廠、加工機床、精密儀器等，如果電機故障，只需更換碳刷，每個碳刷只需幾元，非常便宜。無刷電機技術不成熟，價格高，應用范圍有限，主要在變頻空調、冰箱等恒速設備上，只能更換無刷電機損壞。

6、無電刷、低干擾

無刷電機去除了電刷，較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，運行順暢

無刷電機無刷，摩擦大大降低，運行平穩，噪音低得多。這一優勢是對模型運行穩定性的巨大支持。

8、壽命長，低維護成本

沒有刷子，無刷電機的磨損主要在軸承上。從機械的角度來看，無刷電機幾乎是一種免維護電機。必要時，只需進行一些除塵和維護。

無刷電機控制原理

電機驅動控制是控制電機的旋轉或停止以及旋轉速度。電機驅動控制部分又稱電子調速器，簡稱電動調速器和英語electronic speed controller（ESC）。電調對應的電機不同，分為無刷電調和有刷電調。

有刷電機的永磁體是固定不動的，線圈繞在轉子上，通過一個電刷跟換相器接觸間斷來改變磁場方向來保持轉子持續轉動。無刷電機，顧名思義，這種電機是沒有所謂的電刷和換相器的，他的轉子是永磁體，而線圈是固定不動的，直接接到外部電源，問題就來了，線圈磁場方向怎么改變呢？事實上，無刷電機外部還需要一個電子調速器，這個調速器說白了就是一個電機驅動，它隨時都在改變著固定線圈內部電流的方向，保證它跟永磁體之間的作用力是相互排斥，持續轉動得以延續。

刷電機不需要電動調節就可以直接工作，但不能控制電機的速度。無刷電機必須有電動調節，否則不能旋轉。直流電必須通過無刷電動調節轉換為三相交流電，輸送到無刷電機才能旋轉。

較早的電調不像現在的電調，較早的電調都是刷電調，說你可能會問，什么是刷電調，和現在的無刷電調有什么區別。事實上，這種差異很大，刷電調和無刷電調是基于電機，現在電機的轉子，是可以旋轉的部分都是磁塊，線圈是定子不旋轉，因為中間沒有碳刷，這是無刷電機。而有刷電機，顧名思義，就是有碳刷，所以有刷電機，就像我們通常的孩子玩10或20元機是刷電機一樣。電調是根據這兩種電機命名的刷電調和無刷電調。從專業的角度來看，刷電調是輸出直流電，無刷電調輸出是三相交流電。直流電是存儲在我們電池中的電，有正負極，我們的家庭220V是的，手機充電器或器或計算機的電源是交流電源。交流電源具有一定的頻率。一般來說，它是在線正負交換；直流電源是正極，負極是負極。交流直流已經弄清楚了，那么什么是三相電呢？論講三相交流電是電的一種傳輸形式，簡稱三相電，是由3個頻率相同、振幅相等、相位依次互差120度的交流電勢組成的電源。通俗的講，就是我們家用的三項交流電，除了電壓、頻率、驅動角不同，其他都一樣，現在對于三相電和直流電都了解了吧。

無刷電調，輸入的是直流電，通過一個濾波電容穩定電壓。然后分成倆兩路，一路是電調的BEC使用，BEC是給接收機與電調自身單片機供電使用的，輸出至接收機的電源線就是信號線上的紅線和黑線，另一路是介入MOS管使用，在這里，電調上電，單片機開始啟動，驅動MOS管震動，使電機發出滴滴滴的聲音。啟動后待命，有些電調帶有油門校準功能，在進入待命前會監測油門位置是在高還是低還是中間，高的話進入電調行程校準，中間的話開始發出報警信號，電機會滴滴的響，低的話會進入正常工作狀態。一切準備就緒后，電調內的單片機會根據PWM信號線上的信號決定輸出電壓的大小和頻率的高低以及驅動方向和進角多少來驅動電機的轉速，轉向。這就是無刷電調原理。在驅動電機運轉的時候，電調內共有3組MOS管工作，每組2個極，一個控制正極輸出，一個控制負極輸出，當正極輸出時，負極不輸出，負極輸出時，正極不輸出，這樣子也就形成了交流電，同樣，三組都是這樣工作的，它們的頻率是8000HZ。講到這，無刷電調也相當于一個工廠里電機上使用的變頻器或者調速器。

電調的輸入是直流，通常由鋰電池來供電。輸出是三相交流，可以直接驅動電機。另外航模無刷電子調速器還有三根信號輸入線，輸入PWM信號，用于控制電機的轉速。對于航模，尤其是四軸*行器，由于其特殊性，需要專門的航模電調。

那么為什么在四軸*行器上需要專門的電調呢，其有什么特別的地方？四軸*行器有四個槳，兩兩相對呈十字交叉結構。在槳的轉向上分正轉和反轉，這樣可抵消單個槳葉旋轉引起的自旋問題。每個槳的直徑很小，四個槳轉動時的離心力是分散的。不像直機的槳，只有一個能產生集中的離心力形成陀螺性質的慣性離心力，保持機身不容易很快的側翻掉。所以通常用到的舵機控制信號更新頻率很低。

四軸為了能夠快速反應，以應對姿態變化引起的飄移，需要高反應速度的電調，常規PPM電調的更新速度只有50Hz左右，滿足不了這種控制所需要的速度，且PPM電調MCU內置PID穩速控制，能對常規航模提供順滑的轉速變化特性，用在四軸上就不合適了，四軸需要的是快速反應的電機轉速變化。用高速專用電調，IIC總線接口傳送控制信號，可達到每秒幾百上千次的電機轉速變化，在四軸飛行時，姿態時刻能夠保持穩定。即使受到外力突然沖擊，依舊安然無恙。