尽管刷直流电机的结构已经存在很久，但它仍然是适用于低成本敏感型应用的可行解决方案。在刷直流电机中，通过固定的接触器与电机转子上的电接触点进行磁极方向的切换（通电）。这种接触器通常由石墨制成，与铜或其他金属不同，它在高电流短路或断/接动作时不会与旋转接触器焊接在一起，并且通常带有弹簧加载，以提供一致的接触压力。

20世纪，中型和大型刷直流电机在工业和技术进步中发挥了重要作用，其理论和实践经过了许多专家的深入分析。对于直流电机，进行了详细的电路、电动势和磁场方程、性能参数以及设计、制造和实际考虑因素的研究。直流电机的理论和应用课程几十年来一直是几乎所有工程项目的标准组成部分，包括小型和大型电机的全面实践实验。

然而，随着固态电机开关和控制器（如MOSFET和IGBT）的出现，刷直流电机的主导地位开始下降。取而代之的是无刷直流（BLDC）电机及其同类产品，如步进电机，成为主导的直流电机类型。今天，BLDC电机在汽车、硬盘驱动器、打印机、小型和中型家电等领域广泛应用。

这种转变的原因是显而易见的：使用现代电子技术中的开关、驱动器和智能控制器，无刷电机系统在效率、可靠性、电磁干扰/射频干扰、可控性和适用性等方面都表现更好。无刷电机没有刷子磨损或引起电磁干扰/射频干扰的问题。随着无刷替代品的普及，刷直流电机的使用情况显著减少。

然而，尽管刷直流电机被取代，但在某些应用和情况下，刷直流电机仍然是在性能、成本和可靠性方面的最佳选择。这些应用包括廉价玩具和汽车座椅调节控制等简单功能。此外，结合最新的控制器和MOSFET/IGBT开关使用时，只要了解其局限性，刷直流电机可以提供足够良好的性能。由于它们只需要少量或不需要控制电子元件，整体电机/控制功能的成本相对较低。此外，基本的刷直流电机只需要两根电源和电机之间的导线，这节省了在狭小空间中所需的布线和连接器所占的空间，并减少了电缆和连接器的成本。

尽管无刷直流电机的发展使其在许多领域中成为主导技术，但刷直流电机仍然在某些低成本应用中具有可行性。了解其优势和局限性，以及与最新技术的结合，可以在特定情况下选择适合的电机类型。

刷直流电机基础知识 除了一些特殊的例外情况（例如压电电机），所有电机都依赖于固定部件（定子）上的电磁场、旋转部件（转子）上的电磁场之间的相互作用，以及如何控制和改变这些场来诱导磁吸引/排斥并引起运动，如图1和图2所示。

图 1：无刷直流电机的概念布置显示了外部磁场（此处由永磁体提供）、电刷、电枢上的换向器和实际旋转之间的相互作用。

图 2：实际有刷直流电机的电枢上有大量线圈绕组；这些产生与外部磁场相互作用的强磁场。

基本的有刷电机完全是机械的，不需要电子设备。控制尽量简单：接通直流电源，电机自启动转动；由于接触角“死区”较小，因此存在潜在的启动问题，但这可以通过一些机械设计调整来解决。

要反转旋转方向，只需将直流电源线反转即可；调整速度（在有限范围内），增加或减少直流电压。通常，BDC 电机的速度（每分钟转数，RPM）与其励磁线圈中的电动势 (EMF) 成正比（EMF 是施加到它的电压减去由于其电阻而损失的电压），而扭矩是与所汲取的电流成正比。

那么有刷电机是如何在没有外部控制器的情况下产生迫使电枢旋转所需的旋转磁场的呢？马达自己做。电机外壳上相隔 180° 的一对电刷通过两个换向器触点（板）将施加的电流引导至电枢线圈；每个板都覆盖了近 180° 的电枢。当电机转动时，电源、电刷、换向器板和两个电机线圈（绕组）之间的电流路径每半圈自动切换一次。

电枢的磁场与转子的磁场相互作用，转子的磁场可以由电机机体上的固定线圈或永磁体产生。当转子转动时，其磁场会反转，因此电机会继续转动，因为线圈产生的磁场会根据外部线圈或永磁体产生的磁场进行切换并被吸引/排斥。

请注意，多年来，永磁体的使用仅适用于微型电机，例如玩具，因为对于合理的尺寸和重量来说，磁铁的功率不够大。然而，使用稀土材料的高能永磁体的开发改变了这一点，使得基于 PM 的 BDC 电机适用于更大的电机——即使在分数马力范围内。虽然 PM 方法效率更高，因为外部励磁线圈不需要电源，但它降低了系统在控制电机行为方面的自由度。无论是 PM BDC 电机还是励磁线圈设计是更好的选择，都需要权衡尺寸、成本、重量、所需的控制和其他因素。

超越有刷电机基础知识

在基本形式中，BDC 电机是优雅和简单的典范。事实上，许多针对青少年的基础科学工具包都使用简单的有刷电机来演示基本的电磁原理，以及如何使用它们的相互作用来产生有用的运动，图 3。没有电子元件，所有的动作和电流 -流动路径是可见的。

图 3：电机不能比这个学生项目版本更简单，它使用永磁体作为外部（定子）磁场，使用回形针作为电刷，使用小线圈作为电枢绕组；它直接由电池供电。

所讨论的简单、基本的 BDC 电机就是：简单和基本。然而，考虑到这些电机在 100 多年来的许多应用和尺寸，它们一直在使用，已经设计了许多变体来克服某些弱点或优化特定应用中的性能。其中许多都集中在定子励磁线圈的绕组或电枢上的线圈上。其他变体永久或临时添加电容器和电阻器以调节电压、限制电流或改变相对电压/电流相位关系。

在实践中，大多数直流电机不仅仅是简单版本的两个电枢极。除了其他好处之外，增加更多的磁极可以让电机从任何旋转角度更可靠地启动（简单版本有两个小死区）。另外，短路时也没有电流可以瞬间流过的位置。有些系统可以容忍每次旋转两次短暂短路，而许多系统则不能接受。

定子的励磁线圈可以采用多种配置，图 4。最常见的配置是串联绕组、并联绕组和复合绕组（串联和并联的组合）。在串联电机中，励磁线圈与电枢线圈串联（通过电刷）；在并联电机中，这些励磁线圈并联连接（“分流”是“并联”连接的另一个术语）到电枢线圈。

图 4：（从左到右）在串联配置中，励磁线圈 S1-S2 与电枢线圈 A1-A2 串联；对于并联绕组，励磁线圈F1-F2与电枢线圈A1-A2并联；对于复合方法，励磁线圈 S1-S2 串联，F1-F2 与电枢线圈 A1-A2 并联。

每种接线配置都提供了速度与扭矩、启动和运行扭矩以及处理负载变化的能力的控制和性能的不同平衡。一些先进的设计对定子的励磁绕组和转子的电枢绕组使用独立的励磁控制，以实现更大的灵活性和更严格的控制。

有刷电机进入 21 世纪

尽管 BLDC 电机有许多优点，但有刷电机仍然可用并且正在得到增强。虽然基本电机设计在许多方面相对没有变化，但有两个重大发展：广泛使用永磁体而不是励磁线圈，以及使用 IC 和电子开关实现线圈驱动和反馈功能。

Digilent290-008是基本 6-V BDC 电机的示例，图 5。它包括一个 1:53 减速齿轮箱以提高扭矩，额定扭矩为 0.7 kgf-cm（最大）。虽然电源连接只需要两条引线，但电机/齿轮箱带有一个六引线连接器。其他四根引线用于集成霍尔效应传感器对，用于指示旋转和方向，使用标准 AB 正交方法。

图 5：Digilent 的 290-008 6-V 直流电机是基本有刷电机的一个很好的例子；它只需要用于供电的正负引线，还包括一对霍尔效应设备和四根用于检测旋转和方向的附加电线，这是反馈控制所必需的。

该电机在 6V 时的自由运行、空载电流为 220mA，速度为 150RPM；满载额定电流在 125RPM 时为 480mA，失速电流为 1.8A，扭矩为 4.1 kgf-cm。这个小电机加上它的齿轮箱（长 54 毫米，直径 22 毫米，加上连接器）的线圈电阻仅为 3.3Ω。图 6 的性能图显示了五个关键参数（使用 6V 电源）之间的相互作用：1) 扭矩，2) 速度，3) 电流，4) 输出功率和 5) 效率。

图 6：这张图显示了 Digilent 290-008 电机的所有主要工作参数以及它们在整个工作范围内的变化情况。

尽管无刷电机可以直接通过直流电源轨运行，但使用“合适的”驱动器组件不仅可以提供必要的驱动电流，还可以提供几乎每个电机子系统都需要的各种保护功能，这是有好处的。Texas InstrumentsDRV8412双路全桥 PWM 电机驱动器是其广泛的DRV8x集成电机驱动器系列的成员，可处理两个独立的无刷电机（以及步进电机）。它具有高效驱动器（高达 97%）以最大限度地减少热耗散和相关问题，图 7，并且可以为电机提供 2 × 7A（连续）或 2 × 12A（峰值）。

图 7：Texas Instruments 的 DRV8412 双电机驱动器不仅可以处理两个独立的有刷电机，还可以针对各种故障、热和过流情况提供关键保护。图片来源：德州仪器

微型 IC（仅 14.00mm × 6.10mm）具有保护系统，可保护设备免受可能损坏系统的各种故障情况的影响。其中包括短路保护、过流保护、欠压保护和两级热保护。它还具有一个限流电路，可防止设备在电机启动等负载瞬态期间“错误”关闭（大致类似于使用慢熔保险丝而不是快速熔断保险丝）。可编程过流检测器允许调节电流限制和保护级别以满足不同的电机要求。

该系列的成员为每个半桥提供独立的电源和接地引脚，可通过外部分流电阻器进行电流测量，并支持使用具有不同电源电压的多个电机。当两个电机的尺寸不同从而需要不同的电源电压时，这很有用，例如在广告显示器中，使用非常小的电机在显示器上挥动吸引注意力的旗帜，而使用较大的电机旋转整个显示器。

概括

毫无疑问，由于许多坚实的技术原因，直流供电的有刷电机在很大程度上已被电子控制的无刷电机所取代。尽管如此，在要求不高、成本敏感的应用或要求有限的情况下，有刷电机可能是一种有效的解决方案。通过将有刷电机与基本电机驱动器 IC 相结合，有刷电机和最终产品可以实现许多额外的运行和保护优势。没有至少考虑 BDC 电机的设计目标和属性就自动假定无刷是正确的选择是短视的。