无人机及机器人领域为何广泛采用无刷直流电机

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直流电机的大多数结构形式都是基于磁力的使用方式设计的，它们包含许多内部机构，一部分是是电子的，另一部分是机电的。传统直流电机的一个特点是换向器，其功能是交替电流的方向。无刷直流电机代表了传统直流电动机的一种改进形式，它的功率更大，没有滑动触点，使用寿命更长，更适合于许多应用领域。 越来越多的使用交流或交流电机，这是另一类电机的成员和巨大的竞争，直流电机仍然是非常重要，由于它们的特殊性，特别是速度和扭矩可以在很宽的范围内精确控制，因此，它们广泛应用于工业领域。

传统直流电机的设计是基于简单的结构和相对较少的元件，主要支撑元件是定子和转子，定子是一个不可移动的固定部件，由电磁铁或永磁体组成（通常是小部件）。转子，安装在定子内部，这是一个旋转部件。传统的直流电机也是基于电磁铁原理，定子和转子组成的直流电机被称为内转子电机，相反的结构被称为外转子电机。转子的绕组通过换向器连接，它是一个极性变换器，以电刷的形式连接由导电材料制成的滑动触点。电刷常用材料包括石墨和富含铜和银金属的混合体。

在运行中，电刷触点对直流电机的功能具有决定性的重要性，这是因为当直流电流过转子的绕组或转子本身时，它就会电磁化，并根据定子的特性产生磁力，由于同极相斥，相反极相吸引，这就产生了转子的旋转，在原则上很快就会消失。因此，为了保持连续旋转，电流的方向必须周期性的反转，直流电机的换向器由电刷组成，是负责极性规则反转的部件。

此外，电刷式直流电机的结构根据定子绕组和定子绕组的连接方式而变化，在串绕电机中，磁场绕组和转子绕组是串联的，一个接一个地连接在一起，这就为交流反馈奠定了基础。对应的是并联或并联电机，其中两个线圈并联连接，复合电机是串并联设计的组合，根据其尺寸，该类型支持多种操作行为，并显示两种类型的结构的优点。

与无刷直流电机相竞争的设计是无刷直流电机或简称无刷直流电机，顾名思义，这种设计在一个重要方面不同于经典的结构-它不包含机械滑动接触或电刷。机械换向器的作用由一个电子电源电路接管，该电路在传感器的帮助下跟踪转子的位置，表现为电子换向器的一种形式。例如，通过集成控制算法，在许多应用中可以在没有传感器的情况下执行换向器功能。

因此，无刷直流电机的结构可以与无阻尼同步电动机的结构相比较，但具有更灵活的控制可能性；此外，由于加入了逆变电路，无刷直流电机可以用直流电供电。无刷直流电机，或者更确切地说是集成定子的磁线圈，通常是三相结构。由于这两种结构的性能特点有着根本的不同，因此必须对采用电刷还是无刷直流电机作出基本的选择。

考虑电刷和无刷换向器系统的影响和它们之间的区别，特别是直流电机的使用寿命，由于滑动触点或电刷是机械操作的物理部件，因此它们经常磨损，因此，它们的使用寿命是有限的，高转速也会对电刷的使用寿命产生重大影响。另一方面，无刷直流电机的使用寿命仅受其内部集成的滚珠轴承的限制，在相对可靠的程度上进行运行。由于没有机械摩擦，换向器上不会形成火花，从而防止电刷起火的危险。电刷还具有在特定环境条件下限制使用的效果。例如，在高真空应用中，只能考虑无刷直流电机。

与电刷电机相比，无刷直流电动机在性能上有许多优点，它们可能根据应用而变化，并以不同的方式表现出来，但作为一个规则，它们包括更高的起动转矩、最大精度的控制器，而且更能抵抗负载波动和更高的转速。电刷结构提供了几个操作优势-设置转子的运动，所有需要的是提供一个电压到两个接触。能如此容易地投入运行的电动机种类不多。相比之下，无刷直流电机不需要电子换向器系统，其启动操作要复杂得多。还必须考虑到价格因素，因为上述电子模块以及经常纳入无刷直流电机的传感系统往往成本更高。

由于无刷直流电动机的诸多性能优势，其应用范围不断扩大，在众多的工业领域中，无刷电机已经取代了传统的设计，出现了许多新兴行业和子领域。特别是，它们的转速和扭矩相对简单，加上它们的精确调节和高动态性，具有集成永磁的直流电机在需要非常精确的控制和低转矩的应用中被发现，例如在机器人和无人机领域，无刷直流电机在模型飞机和无人机用户中非常受欢迎，主要方面原因是性能和重量之间的关系以及较大的结构尺寸设计范围，紧凑型无刷直流电机已经使更轻的无人机模型成为可能。
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