自從無刷直流電機誕生，“古老的”有刷電機就開始沒落，但它依然是低成本應(yīng)用的可靠選擇。

    在有刷電機中，磁極方向的跳轉(zhuǎn)是通過移動固定位置的接觸點來完成的，該接觸點在電機轉(zhuǎn)子上與電觸點相對連接。這種固定觸點通常由石墨制成，與銅或其他金屬相比，在大電流短路或斷路/起動過程中石墨不會熔斷或者與旋轉(zhuǎn)觸點焊接到一起，并且這個觸點通常是彈簧承載的，所以能夠獲得持續(xù)的接觸壓力。

電機

    在20世紀，大中型有刷電機在工業(yè)和先進制造領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用，直流電機的基本理論也被查爾斯?斯坦梅茨(Charles Steinmetz)等杰出人物廣泛分析，這包括詳細的電路，電動勢、磁場方程、性能參數(shù)(速度，扭矩，控制和效率)、設(shè)計、制造等。幾十年來，直流電機理論和與應(yīng)用的課程幾乎是所有工科專業(yè)的標準課程，這些課程包含全面的小型和大型電動機實驗室課程。

    由于使用MOSFET和IGBT作為電機的開關(guān)及其更加實用、更加經(jīng)濟可靠的控制方式，早在幾十年前，有刷電機的優(yōu)勢便開始衰落。取而代之的是無刷直流(BLDC)電機及其變體，如步進電機，這些電機逐漸成為主流的直流電機。現(xiàn)在，無數(shù)的汽車，磁盤驅(qū)動器，打印機以及中小型設(shè)備等都使用了無刷直流電機。

    這種轉(zhuǎn)變的原因很顯然：使用開關(guān)器件，驅(qū)動器和智能控制器的先進電子設(shè)備使電機系統(tǒng)在效率、可靠性、電氣噪聲、可控性和多功能性等方面變得更好。這些BLDC電機沒有刷子磨損，也不會引起EMI / RFI。因此，隨著無刷替代品的使用，BDC電機的使用量急劇下降。

    盡管從有刷電機到無刷電機發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，但在能夠滿足必要的性能，低成本和足夠的可靠性的前提下，有刷電機依舊是一個很好的選擇。如便宜的玩具以及一些功能簡單的應(yīng)用場合，如汽車的電動座椅等。

    更進一步的，綜合使用新的控制器、MOSFET / IGBT開關(guān)，并且充分了解其局限性，就可以讓電極提供足夠好的性能。由于它們幾乎不需要電子控制裝置，所以整個電機控制系統(tǒng)相當便宜。此外，基本的BDC電機在電源和電機之間只需要兩根電纜，這樣就可以節(jié)省配線和連接器所需的空間，并降低電纜和連接器的成本。

有刷電機基礎(chǔ)

    所有電機(特殊的除外，例如壓電電機)的工作都依賴于定子與轉(zhuǎn)子電磁場之間的相互作用，這些電磁場被控制，從而周期性的在定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生引力和斥力，進而引起運動，如圖1和圖2所示。

    基本的有刷電機已經(jīng)完全機械化，不需要電子設(shè)備參與。控制也十分簡單：連接直流電源，電機自啟動然后旋轉(zhuǎn)。由于小接觸角度形成一個“死區(qū)”，所以有刷直流電機有著潛在的啟動問題，但這可以通過一些機械設(shè)計調(diào)整來解決。

    要實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，只需將直流電源線對調(diào)，要調(diào)整運動速度(在有限的范圍內(nèi))，只需要升高或降低供電電壓。一般來說，BDC電機的轉(zhuǎn)速與其勵磁線圈的電動勢(EMF)成正比(EMF是施加于其上的電壓減去由于電阻損失的電壓)，而轉(zhuǎn)矩與電流成比例。

    那么有刷電機是如何產(chǎn)生使其電樞旋轉(zhuǎn)所需的旋轉(zhuǎn)磁場，而無需外部控制器的呢?是電機自己完成這項工作的。在電機殼體上有一對180°分開的電刷，這對電刷通過兩個換向器觸點(金屬板)將施加的電流引導(dǎo)到電樞線圈上; 每個金屬板覆蓋近180°的電樞。當電機轉(zhuǎn)動時，電源，電刷，換向器金屬板和兩個電機線圈(繞組)之間的電流回路每轉(zhuǎn)半圈就自動切換一次。

    電樞的磁場與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用，轉(zhuǎn)子的磁場可以通過電機本體上的固定線圈產(chǎn)生，也可以通過永磁體產(chǎn)生。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，其磁場方向也要反轉(zhuǎn)，從而電機保持轉(zhuǎn)動，因為線圈產(chǎn)生的磁場的方向是一直切換的，并且被外部線圈或永磁體產(chǎn)生的磁場吸引/排斥。

    請注意，一直來，永磁體的使用范圍僅限于微型電機，例如玩具，因為在尺寸和重量都比較合理的情況下，磁體的強度并不足夠大。但是，使用稀土材料的高能量永磁體的發(fā)展改變了這個局面，這使得基于PM的BDC電機適用于大型電機，即使在分馬力范圍內(nèi)也是如此。盡管由于外部勵磁線圈不需要電源而使得PM方法效率更高，但它會降低系統(tǒng)控制電機行為的自由度。無論是PM BDC電機還是勵磁線圈的設(shè)計，都需要權(quán)衡尺寸、成本、重量、控制需要等因素。

超越基本有刷電機

    在基本形式中，BDC電機是優(yōu)雅和簡單的典范。事實上，許多為年輕人提供的基礎(chǔ)科學(xué)工具都是使用一個簡單的拉絲馬達來展示電學(xué)和磁學(xué)的基本原理以及它們之間的相互作用是如何產(chǎn)生有效運動的，如圖3所示。這個過程不需要電子器件，并且所有的動作和電流路徑都是可見的。

    所討論的BDC電機是這樣的：簡單和基本。然而，鑒于這些電機的許多應(yīng)用和規(guī)格已經(jīng)被投入使用有100多年了，所以開發(fā)者也設(shè)計出許多新的變體來克服電機的某些弱點或者在特定應(yīng)用中優(yōu)化其性能。其中有許多變體集中于通過改變定子的勵磁線圈和電樞線圈。而一些其他的變體通過長久性或者暫時性添加電容器和電阻器來調(diào)整電壓，限制電流或者改變電壓/電流的相位關(guān)系。