直流电机大体上分为两大类：有刷电机和无刷电机。有刷电机自 19 世纪 30 年代就已出现（是的，有那么久了！），数十亿台有刷电机已成功投入使用。然而，有刷电机也存在许多众所周知的缺点，包括电刷磨损、电气噪声和可控性问题。尽管存在这些缺点，但有刷电机已经为我们服务了 100 多年，而且在相当长的一段时间内，在许多情况下，有刷电机是唯一的直流电机选择。
几十年前，电机的状况发生了变化。这是无刷直流 (BLDC) 电机的兴起，随着电子换向的普及，这种电机也逐渐流行起来。这种流行主要归功于两项发展：高能永磁体和用于线圈的低成本高效功率开关器件（MOSFET 和 IGBT）。
许多以前使用有刷电机的大型应用已过渡到无刷设计或可变交流驱动器（无刷电机的近亲），而小型电机则经常转向步进电机方法（无刷电机的近亲）。有刷电机似乎仅适用于低成本、低端、非关键应用，例如玩具、橱窗展示以及高性能，和可靠性不是优先考虑的类似场景。
尽管如此，这两种电机类型仍然取决于具体应用，选择合适的电机尺寸和类型可能是一个挑战。本文探讨在为各种应用选择有刷和无刷直流电机时面临的微妙决策过程，考虑了效率、控制和特定应用要求等因素。
有刷电机与无刷电机基础知识
BLDC 和有刷电机布置有何不同？如图1左图所示，有刷直流电机依靠机械换向来切换转子（也称为电枢）和定子之间的磁场极性。定子的磁场由永磁体或电磁线圈产生。
源电流通过电枢上的线圈绕组。转子线圈和定子之间的磁场相互作用和不断反转引起旋转运动。换向动作（反转磁场）是使用称为电刷的物理触点完成的。这些电刷接触转子上的触点并为转子线圈供电。
有刷电机可直接通过直流电轨运行，无需任何中间驱动器或控制电子设备。这使得它适合用于基础、低成本、非关键应用，例如简单玩具或动画橱窗展示。
相比之下，无刷电机具有一排电磁线圈，称为磁极，它们固定在外壳内部，高强度永磁体连接到旋转轴（转子），如图1右图所示。当磁极按顺序由所需的控制电子设备通电时，这一过程称为电子换向 (EC)，转子周围的磁场会旋转并吸引或排斥转子，转子被迫跟随磁场。
图 1：有刷直流电机使用机械触点来实现磁场的换向和交变（左）。相比之下，无刷直流电机设计采用电子换向，没有易磨损或产生 EMI 的移动触点（右）。
虽然驱动磁极的电流可以是方波，但这种方法效率低下且会引起振动，因此大多数设计都使用斜坡或曲线波形，以满足所需的电气效率和运动精度组合。此外，控制器可以微调通电波形，以实现快速而平稳的启动和停止，而不会过冲，从而确保对机械负载瞬变做出敏锐的响应。有刷电机的构造和操作之间存在直接而明显的关系。事实上，有刷电机非常简单，以至于在教育环境中以 STEM 为重点的套件形式提供（图 2）。
图 2：经典有刷直流电机是电、磁和运动基础知识的良好教学和演示装置。
设计师的倾向
当今的现实情况是，当设计师需要为某个项目配备功率低马力的小型电机时，自然的反应通常是首先查看各种标准无刷直流 (BLDC) 电机，也许还会考虑有刷电机。
这种方法之所以有意义，有几个原因。首先，BLDC 电机很容易用现代控制器 IC 或嵌入式固件驱动。此外，在处理器和电机极点之间为电机匹配必要的 MOSFET 驱动器相对简单。最后，由于没有滑动接触电刷，它们非常可靠，产生的 EMI 最小。
因此，在大多数情况下，当新产品需要直流电机时，设计师自然会倾向于考虑无刷电机。然而，这是目光短浅的。事实上，有刷电机仍然非常可行，在复杂的设计中也有一席之地。
保持开放心态
在选择直流电机时，工程师通常更喜欢在大多数新设计中使用 BDLC 电机，因为与有刷电机相比，它具有如此吸引人的优点和很少的缺点。设计人员可以从电压、电流、扭矩等的多种额定值中进行选择，同时他们还可以选择所需的硬件驱动程序和控制算法 - 以软件或嵌入固件的形式。除了基本的电机选择指南外，供应商还提供带有图形用户界面 (GUI) 的应用软件包，使设置所需的性能属性（例如速度、加速/减速曲线和响应能力）变得容易。
相比之下，有刷电机更难精确控制，算法只能做到有限程度。为了提高性能，一些有刷电机系统设计添加了旋转位置反馈传感器，例如光学、霍尔效应、电容或磁性。然而，这种方法增加了设计成本，存在机械安装问题，并增加了控制复杂性。公平地说，虽然许多 BLDC 安装不需要这样的反馈传感器，但在某些情况下也会添加它以实现紧密的闭环反馈和更一致的性能。
尽管如此，有刷电机仍用于各种设计，从传统应用到复杂系统，例如具有明确速度和扭矩要求的汽车功能。许多供应商提供用于 BLDC 电机的驱动器 IC 和适用于有刷电机的变体。一些供应商甚至为这种要求苛刻的应用提供汽车专用、符合 AEC-Q100 标准的有刷电机驱动器，这证明了它们持续的可行性。
结论
尽管传统工程思维认为，无刷电机始终更适合重要的应用。相比之下，有刷电机可能适合不太重要的应用，但在有刷和无刷直流电机之间做出选择并不一定简单。认真的工程师会根据项目的优先级及其相对权重进行排序，并公平地考虑各种替代方案，然后再决定在特定情况下哪种电机是最佳选择。
