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。