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用選擇適當的電機
• 選擇電機后，最好與有經驗的電機供應商合作，尋求建議

雖然多數電子行業應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用選擇適當的電機。

傳統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，電機轉子中有一個換向器，它用金屬棒連接到每個線圈上，轉子旋轉時，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電路共同產生的開關電流來工作。

混合式步進電機結合了永磁和開關磁阻電機的工作原理，在轉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。齒的數量、電機結構與驅動方案等幾項因素確定了電機的步進角度，多數應用指定了混合式步進電機1.8°的步長（每轉200步長）（見參考資料)。


電機特點比較
為了幫助用戶選擇適當的電機類型，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。

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，由于有刷直流電機具有較高的內部熱阻抗，其穩定狀態的外殼溫度通常比繞組溫度低得多（但這會造成轉子發熱）；混合式步進電機經常會發熱，設計師應該設計好產品，防止人員接觸發熱的電機。

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。有刷直流電機內部的電刷換向器機構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速度。

無刷直流電機中的轉子機械完整性、速度相關的內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。根據驅動能力的需要，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工作，其速度取決于控制脈沖驅動其繞組的快慢。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地吸收電流，所以效率最低。減速箱與驅動電子器件也會降低無刷直流電機的效率，盡管無槽結構技術可降低定位力、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部，取決于電機速度。寄生效應，如鐵芯渦流（由變化磁場在背鐵（back-iron）中感應出的電流）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構并將其放置離轉子磁場稍遠的位置，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在最大電流下工作，只要為其供電，就能產生較高的保持力矩。

位置損耗：定位應用中使用的有刷與無刷直流電機通常在閉合環路中與反饋設備共同工作，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回路中工作，系統無法跟蹤軸的位置，在其中增加一個旋轉編碼器，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子平衡處理、適當地選擇軸承和電刷材料有助于減少噪音，電機生產廠家的應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生共振或不穩定情況的速度下運行，可使用其它的驅動方案，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，軸承壽命和相關的徑向與軸向負載、溫度與環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計、工作電流、速度等因素。
 

您在選擇一種類型的電機后，應與一到兩家有經驗的電機供應商合作，他們會為您提供所需的建議，同時，應用工程師也可幫您選擇一種能完全滿足您設計需要的電機。