在有刷和无刷直流伺服电机之间进行选择

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在工程方面,没有完美的解决方案,只是手头应用的最佳解决方案。用于运动控制的用例与空间勘探应用有很大差异,空间开发应用对于全天候运行的高速封装生产线来说,成本是无关紧要的,而且可靠性要求是绝对的 幸运的是,设计团队有多种选择可供选择。要做的一个关键决定是使用有刷直流电机无刷直流电机。
有刷直流电机
在我们讨论权衡之前,让我们从一些运动基础开始。电机由转子(也称为电枢)和定子组成。虽然存在许多变化,包括固定转子和旋转定子,但是为了本文的目的,我们将讨论限制在旋转电动机上,该旋转电机围绕转动的中心转子。定子由一对具有相对极的永磁体组成,而电枢由横截面线组成,每根横向线以相反方向缠绕(见图1)。当两个线圈连接到电源时,它们作为具有相反极性的电磁铁

在有刷和无刷直流伺服电机之间进行选择

在有刷和无刷直流伺服电机之间进行选择


电动机基于洛伦兹力进行操作,其中磁场对载流线圈施加力。这使得转子围绕其轴线转动。由洛仑兹力产生的扭矩是交叉乘积,这意味着基本上一旦由转子绕组形成的电磁体的极与定子磁体的相对极对准,力就降至零,并且转子停止旋转。
然而,反转线圈中的电流方向将使电磁铁的极性反转。力将重新出现,转子将恢复运动。如果每次定子刚刚超过垂直方向发生这种反转,转子将继续转动并进行有用的工作。
要在频繁和受控的基础上改变电流方向,有刷直流电机需要一个换向器。这是一个开口环,一侧连接在转子的每个线圈上。当转子转动时,换向器也会转动。为了施加电流,一对固定电刷从相对侧按压整流子(见图2)。当换向器/转子组件转动换向器的每一侧接触到一个电刷/电流源时,另一个依次接触。结果,转子线圈中的电流每180°反转以保持电机转动。
在有刷和无刷直流伺服电机之间进行选择

电刷从相对侧按压整流子


这是一个非常简单的模型,供讨论。正如本教程所述,由于实际原因,有刷直流电机通常是三相或更高。
刷子可以由各种材料制成,包括碳基合金如铜石墨或银石墨,或贵金属如金,银或铂。最合适的选择取决于应用。
石墨刷以固体块形成。它们自润滑并且趋于相当稳健。它们适用于高速运行(大于1000 RPM)的较大电机。缺点是它们会随时间产生碎屑,从而污染换向器并导致间歇性故障。它们必须以足够高的速度被使用以逃避任何碎片。
贵金属刷由单独的线组成,使得它们比它们的碳基对应物更脆弱。然而,它们具有更好的性能,具有更低的电噪声和可听见的噪声。它们在低占空比应用中更加紧凑和有效。它们也适用于低压系统,因为换向器和电刷之间的电压降趋向于较低。在缺点方面,它们不会自润滑,导致更多的磨损随着时间的推移和对外部润滑剂的要求。
优点和缺点有
刷直流电机是运动控制的主力。它们经济且使用简单。因为它们不需要板载电子设备,它们可以容忍极端的环境。如果刷子被正确选择和维护,则刷式直流电机可以持续很长时间。它们非常适合中低速应用。
有刷电机需要知情的使用。过去指定的电流密度,例如,电刷会燃尽。在超速的情况下,它们可以从换向器飞出。他们可能需要高空使用的特殊住宿,例如二硫化钼或碳酸锂等掺杂剂。
换向器和刷子的添加增加了尺寸。刷子需要定期维护,因此电机需要在可访问的位置。由于其绕组的转子位于内部,所以电动机只能消耗空气中的废热,从而使热管理成为重要的问题。电刷上的电压降也可以降低效率。
最后,电刷对换向器接触的摩擦进一步降低效率并产生可听见的噪声。它可以在高速下降低扭矩。加上换向器上的缺陷,摩擦也会引起电弧和增加的电磁干扰(EMI); 在最坏的情况下,效果会产生火花,使这些设备不适合爆炸性环境。
无刷直流电机
无刷直流(BLDC)电机或电子换向器电机(ECM)提供了一种替代方案。BLDC电机是永磁同步电机。它们可以作为伺服电机运行,也可以作为步进电机运行。该术语还包括开关磁阻电机。为了比较起见,我们考虑一个普通的BLDC电机设计,基本上是一个有刷直流电机转向内部。永磁体安装在转子上,而定子由缠绕有线圈的层压笼组成。因此,转子不需要任何接线,电机也不需要换向器和刷子。
虽然它们被分类为直流电动机并且直流电源,但是直流电动机与交流电动机有很多共同之处。为了保持转子转动,定子的绕组必须依次通电,基本上看起来像是用于伺服电动机控制的开关电流源,通常具有正弦波形。为了确保由定子绕组产生的磁场分布与转子的磁场分布一起跟踪,BLDC电机通常使用霍尔效应传感器监测转子的角位置。该反馈用于控制电流到线圈的切换。
因为BLDC电机不包括电刷和机械换向器,它们比拉丝型更紧凑。它们提供每帧大小的更高的输出。没有刷子可以减少维护,并且可以使转子以更高的速度转动而不会损坏。减少的摩擦使速度/扭矩曲线平坦化,消除电弧,降低EMI。将发热绕组移动到外部简化了热管理。该方法还降低转子惯性,使BLDC伺服电机能够提供更好的动态响应。电刷没有电压降,效率提高。
在下行方面,BLDC电机比其机械换向器更复杂。车载电子设备显着增加了成本。
正如我们在本文开头讨论的,要求驱动了电机的选择。中等规格的预算约束项目可以用刷式直流电动机做得很好。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。原始设备制造商和终端用户不仅要考虑到电机功能,还要考虑到他们的工作人员构建和维护设备的能力。只有作出明智的选择决定,才能达成有效的解决方案。

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