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在有刷和无刷直流伺服电机之间进行选择

文章来源:锐特凤凰平台官网 时间:2019-11-08 10:33:53 浏览:
  直流有刷电机

  在我们讨论折衷方案之前,让我们从一些电机基础知识开始。电动机由转子(也称为电枢)和定子组成。尽管存在许多变化形式,包括固定转子和旋转定子,但出于本文的目的,让我们将讨论限于固定定子围绕旋转中心转子的旋转电动机。定子由一对带有相对磁极的永磁体组成,而电枢由在每侧上以相反方向包裹导线的横杆组成(见图1)。当两个线圈连接到电源时,它们充当极性相反的电磁体(有关更多详细信息,请参见有刷直流电动机的教程)。

  

 

  电动机基于洛伦兹力运行,在洛伦兹力中,磁场将力施加到载流导线环上(请参见侧栏-教程:有刷直流电动机)。这导致转子绕其轴线旋转。洛伦兹力产生的转矩是一个叉积,这意味着基本上由转子绕组形成的电磁体的磁极与定子磁体的相对磁极对齐后,该力便降至零,并且转子停止旋转。

  但是,使线圈中电流的方向反向将使电磁体的极性反向。力将重新出现,转子将恢复其运动。如果每次定子运动刚好超过垂直方向时都会发生这种反转,则转子将继续旋转并做有用的工作。

  为了经常且受控地改变电流方向,有刷直流电动机需要换向器。这是一个开口环,其一侧连接到转子的每个线圈。随着转子的旋转,换向器也随之旋转。为了施加电流,一对固定电刷从相反侧压向换向器(见图2)。当换向器/转子组件转动时,换向器的每一侧依次按顺序接触一个电刷/电流源,然后接触另一个。结果,转子线圈中的电流每180°反转一次,以保持电动机转动。

  

 

  为了讨论的目的,这是一个非常简单的模型。如本教程所述,出于实际原因,有刷直流电动机通常为三相或更高。

  刷子可以用多种材料制成,包括碳基合金(例如铜石墨或银石墨)或贵金属(例如金,银或铂)。最合适的选择取决于应用程序。

  石墨刷形成为实心块。它们具有自润滑性,并且往往相当坚固。它们非常适合高速运行(1000 RPM以上)的大型电动机。缺点是随着时间的推移它们会产生碎屑,这些碎屑会污染换向器并导致间歇性故障。必须以足够高的速度使用它们以清除所有碎片。

  贵金属刷由单独的线束组成,使其比碳基刷更易碎。它们具有更好的性能,但是具有较低的电噪声和可听噪声。它们在低占空比应用中更紧凑,更有效。它们也非常适合低压系统,因为换向器和电刷之间的电压降往往较低。不利的一面是,它们无法自我润滑,随着时间的流逝会导致更多的磨损,并需要外部润滑剂。

  优点和缺点有

  有刷直流电动机是运动控制的主力军。它们既经济又易于使用。因为它们不需要板载电子设备,所以它们可以承受极端的环境。只要正确选择和维护电刷,有刷直流电动机可以使用很长时间。它们非常适合中低速应用。

  有刷电机需要知情使用。例如,超过指定的电流密度,电刷将烧毁。它们可以超速飞行,飞离换向器。他们可能需要在高海拔地区使用的特殊场所,例如二硫化钼或碳酸锂等掺杂剂。

  换向器和电刷的增加增加了尺寸。电刷需要定期维护,因此电动机必须位于可触及的位置。由于转子及其绕组位于内侧,因此,有刷电机只能在气隙中散发废热,这使热管理成为一个重要问题。电刷两端的电压降也会降低效率。

  最后,电刷与换向器接触的摩擦进一步降低了效率并产生了可听见的噪声。高速时降低扭矩。加上换向器上的缺陷,摩擦也会引起电弧并增加电磁干扰(EMI)。在最坏的情况下,这些效应会产生火花,从而使这些设备不适合爆炸性环境。

  无刷直流电动机

  无刷直流(BLDC)电动机或电子换向器电动机(ECM)提供了一种替代方案。BLDC电动机是永磁同步电动机。它们既可以用作伺服电机,也可以用作凤凰平台官网。该术语还包括开关磁阻电动机。为了进行比较,让我们考虑一种常见的BLDC电机设计,该设计基本上是一种由内而外的有刷直流电机。永磁体安装在转子上,而定子则由缠绕有线圈的叠层笼组成。结果,转子不需要任何布线,电动机也不需要整流子和电刷。

  尽管BLDC电动机被归类为DC电动机并使用DC电源运行,但它们与AC电动机有很多共同点。为了保持转子的转动,定子的绕组必须顺序地通电。基本上,它看起来像一个开关电流源,当用于伺服电动机控制时,通常具有正弦波形。为了确保定子绕组产生的磁场分布与转子的磁场分布保持一致,BLDC电机通常使用霍尔效应传感器监控转子的角位置。该反馈用于控制流向线圈的电流。

  由于BLDC电机不包括电刷和机械换向器,因此它们比有刷电机更紧凑。它们每帧尺寸提供更高的输出。缺少电刷减少了维护,并使转子能够以更高的速度旋转而不会造成损坏。减少的摩擦使速度/转矩曲线变平,消除了电弧,降低了EMI。将发热绕组移至外部可简化热管理。该方法还可以减少转子惯性,从而使BLDC伺服电机能够提供改善的动态响应。没有电刷两端的电压降,效率提高了。

  不利的一面是,BLDC电动机比其机械换向的电动机更为复杂。车载电子设备大大增加了成本。

  正如我们在本文开头所讨论的,需求驱动着电动机的选择。具有中等规格的预算受限项目可以很好地适用于有刷直流电动机。如果性能和占空比更重要,则BLDC电机可能是更好的解决方案。OEM和最终用户不仅应考虑电动机的功能,还应考虑其员工构建和维护设备的能力。只有做出明智的选择决定,他们才能得出有效的解决方案。

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