中心論題：

• 簡單介紹永磁有刷換向直流電機、無刷直流電機與混合式步進電機的工作原理
• 從若干方面對這幾種電機的特點進行詳細的分析比較

解決方案：

• 深入了解各種電機的特點有助于工程師對所需的應(yīng)用選擇適當?shù)碾姍C
• 選擇電機后，最好與有經(jīng)驗的電機供應(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、無刷直流電機與混合式步進電機，工程師還是可以從各種電子電機中做出選擇，深入了解各種電機的特點有助于對所需的應(yīng)用選擇適當?shù)碾姍C。

傳統(tǒng)的有刷換向直流電機使用“電刷”——通常由含有某些金屬成份的固體石墨制成，電機轉(zhuǎn)子中有一個換向器，它用金屬棒連接到每個線圈上，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，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。無刷直流電機依靠軸位置傳感器和外部開關(guān)電路共同產(chǎn)生的開關(guān)電流來工作。

混合式步進電機結(jié)合了永磁和開關(guān)磁阻電機的工作原理，在轉(zhuǎn)子軸上裝有一對或多對外圓周有很多齒的定子疊片，在每對定子疊片間有一個永磁體，會在軸向上生成北極和南極。齒的數(shù)量、電機結(jié)構(gòu)與驅(qū)動方案等幾項因素確定了電機的步進角度，多數(shù)應(yīng)用指定了混合式步進電機1.8°的步長（每轉(zhuǎn)200步長）（見參考資料)。


電機特點比較
為了幫助用戶選擇適當?shù)碾姍C類型，將從以下主要特點開始介紹：

負載類型：有刷和無刷直流電機可接受多種負載，包括恒定、可變、高間歇峰值（High Intermittent Peak）或不可預測的負載等；混合式步進電機一般不能承受過載條件，而且較高的峰值負載可能造成失步或失速，只在用于恒定或可預測扭矩的負載時，才選擇混合式步進電機。

物理尺寸和功率密度：在有刷直流電機中，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，對于特定的應(yīng)用可能需要較大的有刷直流電機，才能提供所需的扭矩及更好的散熱效果。無刷直流電機中的定子繞組提供了較低的熱阻抗，因此與有刷直流電機相比，較小的無刷直流電機也同樣適用，但無刷直流電機中的驅(qū)動電子器件增加了成本，所需的空間也較多。

盡管混合式步進電機提供了類似于無刷直流電機的較低熱阻抗，但還是要針對“最壞情況”下的峰值扭矩來指定混合式步進電機，這種應(yīng)用需要較大的電機封裝。但由于混合式步進電機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：對于特定的電機尺寸和扭矩負載，無刷直流電機需要在比其它兩種電機更低的內(nèi)部溫度下工作。無刷直流電機的外殼溫度通常與電機繞組溫度直接相關(guān)，由于有刷直流電機具有較高的內(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（但這會造成轉(zhuǎn)子發(fā)熱）；混合式步進電機經(jīng)常會發(fā)熱，設(shè)計師應(yīng)該設(shè)計好產(chǎn)品，防止人員接觸發(fā)熱的電機。

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

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

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

效率：由減速箱及電刷造成的機械阻力會降低有刷直流電機的效率，廠商可使用無鐵（iron-less）（有色金屬）電機構(gòu)造及貴金屬繞組來降低機械阻力，但是無鐵電機通常比定子鐵芯電機的功率密度低，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。

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

保持力矩：在有刷和無刷直流電機中，保持力矩取決于未激勵電機的定位力和摩擦力矩（通常較小）(定位力指由內(nèi)部磁力形成的電機對運動的阻力)，可使用齒輪減速器提高電機對負載的保持力矩，在軸上安裝制動器也能起到同樣的作用。

混合式步進電機的保持能力取決于其定子鎖定力矩（其值通常較低），由于步進電機永磁體具有固有的磁力，電機的定子鎖定力矩可鎖住一個未通電的步進電機的軸，但由于混合式步進電機可連續(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刷直流電機通常在閉合環(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。而混合式步進電機通常在開環(huán)回路中工作，系統(tǒng)無法跟蹤軸的位置，在其中增加一個旋轉(zhuǎn)編碼器，可提供絕對或增量的位置信息。

音頻噪音：有刷與無刷直流電機中由幾種噪音源產(chǎn)生的噪音，如果使用減速箱，噪音會增大。在組裝電機時進行轉(zhuǎn)子平衡處理、適當?shù)剡x擇軸承和電刷材料有助于減少噪音，電機生產(chǎn)廠家的應(yīng)用工程師可幫助你選擇能降低噪音的電機。混合式步進電機中的噪音來自于軸承以及共振引起的震動，避免讓混合式步進電機在能產(chǎn)生共振或不穩(wěn)定情況的速度下運行，可使用其它的驅(qū)動方案，如微步進來降低噪音。

電氣噪音：有刷直流電機的機械換流系統(tǒng)會比無刷直流電機和混合式步進電機生成更多的電氣噪音，可以添加噪音抑制設(shè)備和濾波器，或請電機廠商幫助選擇可衰減噪音的電刷材料來降低噪音。

工作壽命：一般來說，無刷直流電機和混合式步進電機可工作10,000小時以上，軸承壽命和相關(guān)的徑向與軸向負載、溫度與環(huán)境等因素都會影響電機的工作壽命，這些電機較長的工作壽命為其提供了最大的優(yōu)勢。有刷直流電機所使用的電刷、軸承及減速箱限制了該類型電機的工作壽命，一般在2,000至5,000小時之間，實際的工作壽命取決于電機設(shè)計、工作電流、速度等因素。
 

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