如何根据需要恰当选择电机

中心论题：

• 简单介绍永磁有刷换向直流电机、无刷直流电机与混合式步进电机的工作原理
• 从若干方面对这几种电机的特点进行详细的分析比较

解决方案：

• 深入了解各种电机的特点有助于工程师对所需的应用选择适当的电机
• 选择电机后，最好与有经验的电机供应商合作，寻求建议

虽然多数电子行业应用都采用永磁有刷换向直流电机、无刷直流电机与混合式步进电机，工程师还是可以从各种电子电机中做出选择，深入了解各种电机的特点有助于对所需的应用选择适当的电机。

传统的有刷换向直流电机使用“电刷”——通常由含有某些金属成份的固体石墨制成，电机转子中有一个换向器，它用金属棒连接到每个线圈上，转子旋转时，电刷将电流传送到换向器上，换向器将电流从一组绕组切换到另一组。无刷直流电机依靠轴位置传感器和外部开关电路共同产生的开关电流来工作。

混合式步进电机结合了永磁和开关磁阻电机的工作原理，在转子轴上装有一对或多对外圆周有很多齿的定子叠片，在每对定子叠片间有一个永磁体，会在轴向上生成北极和南极。齿的数量、电机结构与驱动方案等几项因素确定了电机的步进角度，多数应用指定了混合式步进电机1.8°的步长（每转200步长）（见参考资料)。


电机特点比较
为了帮助用户选择适当的电机类型，将从以下主要特点开始介绍：

负载类型：有刷和无刷直流电机可接受多种负载，包括恒定、可变、高间歇峰值（High Intermittent Peak）或不可预测的负载等；混合式步进电机一般不能承受过载条件，而且较高的峰值负载可能造成失步或失速，只在用于恒定或可预测扭矩的负载时，才选择混合式步进电机。

物理尺寸和功率密度：在有刷直流电机中，由于绕组在电枢或转子上的位置形成较高的热阻抗，降低了散热效果，因此，对于特定的应用可能需要较大的有刷直流电机，才能提供所需的扭矩及更好的散热效果。无刷直流电机中的定子绕组提供了较低的热阻抗，因此与有刷直流电机相比，较小的无刷直流电机也同样适用，但无刷直流电机中的驱动电子器件增加了成本，所需的空间也较多。

尽管混合式步进电机提供了类似于无刷直流电机的较低热阻抗，但还是要针对“最坏情况”下的峰值扭矩来指定混合式步进电机，这种应用需要较大的电机封装。但由于混合式步进电机能在低速下输出较高的扭矩，可免除减速箱，通常能安装到较小的空间内。

外壳散热：对于特定的电机尺寸和扭矩负载，无刷直流电机需要在比其它两种电机更低的内部温度下工作。无刷直流电机的外壳温度通常与电机绕组温度直接相关，由于有刷直流电机具有较高的内部热阻抗，其稳定状态的外壳温度通常比绕组温度低得多（但这会造成转子发热）；混合式步进电机经常会发热，设计师应该设计好产品，防止人员接触发热的电机。

典型速度：有刷直流电机通常在1,000到10,000 rpm的转速间工作，低速运行会造成电刷碎屑在换向器槽缝中积累，从而造成短路。有刷直流电机内部的电刷换向器机构限制了电机的最大速度约为10,000 rpm左右，如果需要低于1,000 rpm的速度，可采用减速箱来降低旋转速度。

无刷直流电机中的转子机械完整性、速度相关的内部损耗及轴承特点等因素限制了电机的速度，但这种电机的速度可达到或超过10,000 rpm。根据驱动能力的需要，采用减速箱或直接从电机输出可以得到低于1,000 rpm的无刷直流电机的速度。

在需要低于1,000rpm的速度或需要低速下有较大扭矩时，可以选择混合式步进电机。切记混合式步进电机可在其整个速度范围内工作，其速度取决于控制脉冲驱动其绕组的快慢。扭矩在较高的速度时开始快速下降，但采用低阻抗的绕组可稍微提高扭矩开始下降的速度。

效率：由减速箱及电刷造成的机械阻力会降低有刷直流电机的效率，厂商可使用无铁（iron-less）（有色金属）电机构造及贵金属绕组来降低机械阻力，但是无铁电机通常比定子铁芯电机的功率密度低，而且贵金属电刷通常比金属石墨电刷的工作寿命要短，电流也较小。

在这些电机种类中，由于混合式步进电机持续地吸收电流，所以效率最低。减速箱与驱动电子器件也会降低无刷直流电机的效率，尽管无槽结构技术可降低定位力、磁滞及粘滞损失（viscous losses）有助于补偿效率。粘滞损失作用于电机内部，取决于电机速度。寄生效应，如铁芯涡流（由变化磁场在背铁（back-iron）中感应出的电流）及磁滞（背铁对变化磁场的阻力）是这些损耗的主要部分，这两种类型的损耗都以无用的热量形式消耗掉了，电机厂商采用背铁较少的无槽结构并将其放置离转子磁场稍远的位置，以降低这些损耗。

保持力矩：在有刷和无刷直流电机中，保持力矩取决于未激励电机的定位力和摩擦力矩（通常较小）(定位力指由内部磁力形成的电机对运动的阻力)，可使用齿轮减速器提高电机对负载的保持力矩，在轴上安装制动器也能起到同样的作用。

混合式步进电机的保持能力取决于其定子锁定力矩（其值通常较低），由于步进电机永磁体具有固有的磁力，电机的定子锁定力矩可锁住一个未通电的步进电机的轴，但由于混合式步进电机可连续在最大电流下工作，只要为其供电，就能产生较高的保持力矩。

位置损耗：定位应用中使用的有刷与无刷直流电机通常在闭合环路中与反馈设备共同工作，因此受位置损耗的影响较小。而混合式步进电机通常在开环回路中工作，系统无法跟踪轴的位置，在其中增加一个旋转编码器，可提供绝对或增量的位置信息。

音频噪音：有刷与无刷直流电机中由几种噪音源产生的噪音，如果使用减速箱，噪音会增大。在组装电机时进行转子平衡处理、适当地选择轴承和电刷材料有助于减少噪音，电机生产厂家的应用工程师可帮助你选择能降低噪音的电机。混合式步进电机中的噪音来自于轴承以及共振引起的震动，避免让混合式步进电机在能产生共振或不稳定情况的速度下运行，可使用其它的驱动方案，如微步进来降低噪音。

电气噪音：有刷直流电机的机械换流系统会比无刷直流电机和混合式步进电机生成更多的电气噪音，可以添加噪音抑制设备和滤波器，或请电机厂商帮助选择可衰减噪音的电刷材料来降低噪音。

工作寿命：一般来说，无刷直流电机和混合式步进电机可工作10,000小时以上，轴承寿命和相关的径向与轴向负载、温度与环境等因素都会影响电机的工作寿命，这些电机较长的工作寿命为其提供了最大的优势。有刷直流电机所使用的电刷、轴承及减速箱限制了该类型电机的工作寿命，一般在2,000至5,000小时之间，实际的工作寿命取决于电机设计、工作电流、速度等因素。

您在选择一种类型的电机后，应与一到两家有经验的电机供应商合作，他们会为您提供所需的建议，同时，应用工程师也可帮您选择一种能完全满足您设计需要的电机。