雖然大多數(shù)工程師認(rèn)為無(wú)刷直流電機(jī)是最佳選擇，但較舊的有刷電機(jī)可能更好，同時(shí)提供了客觀(guān)看待設(shè)計(jì)選項(xiàng)的重要性的課程。

您需要一個(gè)小型電機(jī)用于項(xiàng)目，并且您會(huì)本能地看到各種標(biāo)準(zhǔn)無(wú)刷直流 （BLDC） 電機(jī)。這樣做有多種原因：它們很容易使用當(dāng)今的控制器 IC 或嵌入式固件驅(qū)動(dòng);您可以輕松地將所選電機(jī)與處理器和電機(jī)極之間的必要 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器相匹配;而且它們很可靠，并且由于沒(méi)有滑動(dòng)接觸電刷而產(chǎn)生最小的 EMI。

但是等等。..BLDC 電機(jī)供應(yīng)商網(wǎng)站還提供有刷直流 （BDC） 電機(jī)，這些電機(jī)“永遠(yuǎn)”存在。為什么有人會(huì)選擇有刷電機(jī)，因?yàn)樗兴⒆踊蚪佑|手指的問(wèn)題，以及難以嚴(yán)格控制其性能，除了成本較低或在傳統(tǒng)應(yīng)用中使用？這根本說(shuō)不通。

直到在《醫(yī)療設(shè)計(jì)簡(jiǎn)報(bào)》上看到一篇關(guān)于復(fù)雜便攜式輸液泵電機(jī)選擇的文章，“每一滴都很重要：設(shè)計(jì)電機(jī)以?xún)?yōu)化家用和動(dòng)態(tài)輸液泵”。這種線(xiàn)性蠕動(dòng)泵機(jī)構(gòu)是一種高級(jí)應(yīng)用，其中低成本肯定不是選擇過(guò)程的主要標(biāo)準(zhǔn)（當(dāng)然，它是其中之一）。本文清楚地闡明了無(wú)芯有刷直流電機(jī)與 BLDC（以及步進(jìn)電機(jī)，BLDC 變體）在效率、緊湊性、使用壽命、噪音水平和可靠性方面的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。它包括對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)和尺寸的分析，并非常清楚地說(shuō)明了為什么古老的有刷電機(jī)，盡管采用更現(xiàn)代的“無(wú)芯”配置，但在這里是最佳選擇。

BLDC 和 BDC 安排有什么區(qū)別？簡(jiǎn)而言之，無(wú)刷電機(jī)在外殼內(nèi)部周?chē)潭艘唤M電磁線(xiàn)圈（極），并且高強(qiáng)度永磁體連接到旋轉(zhuǎn)軸（轉(zhuǎn)子），圖1（右）。當(dāng)兩極由控制電子設(shè)備（電子換向 – EC）依次通電時(shí)，轉(zhuǎn)子周?chē)拇艌?chǎng)旋轉(zhuǎn)，從而吸引/排斥轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子被迫跟隨磁場(chǎng)。

驅(qū)動(dòng)極點(diǎn)的電流可以是方波，效率低下并引起振動(dòng)，因此大多數(shù)設(shè)計(jì)使用斜坡波形，其形狀針對(duì)所需的電效率和運(yùn)動(dòng)精度組合量身定制。此外，控制器可以微調(diào)激勵(lì)波形，以實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)的啟動(dòng)和停止，而不會(huì)過(guò)沖，以及對(duì)機(jī)械負(fù)載瞬變的清晰響應(yīng)。簡(jiǎn)而言之，有什么不喜歡的？

圖1：有刷直流電機(jī)使用機(jī)械觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的換向和交變（左），而無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)使用電子換向，沒(méi)有易磨損或產(chǎn)生EMI的移動(dòng)觸點(diǎn)（右）。

相比之下，有刷直流電機(jī)使用機(jī)械換向來(lái)切換轉(zhuǎn)子（也稱(chēng)為電樞）與定子磁場(chǎng)的極性（定子的磁場(chǎng)由永磁體或電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生，圖1（左）。電樞上沒(méi)有永磁體，而是電流通過(guò)的線(xiàn)圈繞組。正是轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈和定子之間磁場(chǎng)的相互作用和不斷反轉(zhuǎn)，誘發(fā)了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的換向動(dòng)作是通過(guò)物理接觸（稱(chēng)為電刷）完成的，因此接觸電樞線(xiàn)圈并為電樞線(xiàn)圈帶來(lái)動(dòng)力。

有刷電機(jī)的尺寸從微小的尺寸不等，通過(guò)數(shù)百馬力提供幾英寸盎司的扭矩，并且已經(jīng)成功使用了 100 多年，并且在許多安裝中都運(yùn)行良好。主要缺點(diǎn)是換向觸點(diǎn) - 在較大的電機(jī)中使用石墨實(shí)現(xiàn) - 會(huì)磨損，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電灰塵;觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生火花和EMI。較小的有刷電機(jī)使用具有類(lèi)似問(wèn)題的金屬板簧，但規(guī)模要小得多。

大多數(shù)新設(shè)計(jì)選擇BDLC電機(jī)，因?yàn)榕c有刷電機(jī)相比，它具有良好的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。您可以選擇不同的電壓、電流、扭矩和其他額定值，以及軟件或固件中的硬件驅(qū)動(dòng)程序和控制算法。許多還提供GUI，可以輕松設(shè)置所需的性能屬性（速度，加速/減速配置文件和響應(yīng)能力）。

相比之下，有刷電機(jī)更難精確控制，并且這樣做的算法只能在更有限的范圍內(nèi)做到這一點(diǎn)。一些有刷設(shè)計(jì)增加了旋轉(zhuǎn)位置反饋傳感器（光學(xué)、霍爾效應(yīng)、電容或磁性），這樣可以在一定程度上提高性能，但會(huì)增加 BOM 成本，存在機(jī)械安裝問(wèn)題，并增加了控制復(fù)雜性。（公平地說(shuō)，雖然許多 BLDC 安裝不需要這樣的反饋傳感器，但有時(shí)會(huì)在那里添加它以允許閉環(huán)反饋和提高性能。

盡管有刷電機(jī)存在明顯的缺點(diǎn)，但它仍然具有廣泛的應(yīng)用，超出了所引用的高度專(zhuān)業(yè)化的泵示例或低成本玩具。它非常廣泛用于汽車(chē)等大眾市場(chǎng)用途，即使電氣和機(jī)械條件惡劣。IC供應(yīng)商提供有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系列，例如德州儀器的DRV887x系列。圖 2 的基本 DRV8870 驅(qū)動(dòng)器包括使用脈寬調(diào)制 （PWM） 控制為線(xiàn)圈供電以提高性能;該系列中的其他IC增加了故障報(bào)告和電流檢測(cè)等功能。

圖 2：a） 德州儀器 DRB8870 的系統(tǒng)級(jí)視圖顯示了它如何作為改進(jìn)型有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC;b） 它集成的附加電路的詳細(xì)信息，以實(shí)現(xiàn)更高效、可控的電機(jī)運(yùn)行。

教訓(xùn)是，與普遍存在的傳統(tǒng)工程“智慧”相反，有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)之間的選擇很簡(jiǎn)單。無(wú)論是否與電機(jī)相關(guān)，盡職盡責(zé)的工程師都會(huì)對(duì)項(xiàng)目?jī)?yōu)先級(jí)及其相對(duì)權(quán)重進(jìn)行排名，然后在決定在特定情況下哪一種是最好的之前，先公平地查看各種替代方案。

審核編輯：郭婷