电机设计完美诠释了机械传动运动的神秘与神奇

由于晶体管开关的发明，电子换向的电机的实施成为可能，与有刷电机等竞争对手相比，无刷直流电机具有一些显着优势，它允许控制器迅速切换电流，从而有效地调节电机的特性。而设计无刷直流电机及控制器需要电子设计和嵌入式软件开发方面的强大专业知识。如果实施得当，控制单元才可以确保电机的平稳运行并延长其使用寿命。电机选择和设计在任何讨论都从交流和直流电机的基本划分开始，然后扩展到电机的许多主要和次要分支上。

为什么有这么多电机类型和子类型？

电机的设计和性能受物理定律（主要是电磁学）的指导，电流和磁场之间不断相互作用。虽然这些定律允许我们设计描述理想电机的方程和模型，但现实情况是，设计理想电机存在许多现实障碍。电机也会带来机械问题，如惯性矩、旋转质量和离心力，所有这些都会使设计复杂化，并在理论和现实之间造成差距。此外，工程师也很聪明，在电机的100多年历史中，他们开发了每种电机类型的细微变化，以克服使电机设计在特定应用类别中不令人满意的具体缺陷。

使情况复杂化的是，在现代控制电子器件（MOSFET/IGBT）、微控制器和FPGA集成芯片的出现之前，就已经设计出了许多电机的变体。今天的进步为克服这些固有的弱点提供了非常不同的工具集，而那些早期的工程师必须利用现有的工具，设计出一些令人印象深刻但很难掌握的设计。

为什么大多数工程师在考虑或设计电机时都有些害怕？

除了基础知识外，大多数电子学科中都没有讲授磁性和电磁原理，这些原理与更熟悉、更容易测量的电子概念（如电压、电流和电阻）相比，不太“有形”。当然，电磁场和磁场完全由麦克斯韦方程组和其他方程组定义，并且与电场的定义类似。

然而，现实情况是，对于大多数工程师来说，磁性更难掌握、测量和可视化。现在有很多很好的电机型号（已经有几十年了），但许多工程师觉得这就像是试图学习一门非常困难的新语言，它使用了完全不同语法结构的奇怪符号。

这种恐惧和不情愿有道理吗？

在很大程度上，是的。电机选择和设计涉及的许多问题复杂而微妙，存在于电场、磁场和机械因素的交叉点，这使得几乎每一个与运动相关的决策都是一个很难把握和决定的权衡。

即使看似简单的问题也有很多答案：你是应该使用高速电机并将其减速至低速（带来成本、重量、尺寸、齿隙和定位误差等问题），还是应该使用可以低速运行的电机（但存在转矩、启动/停止时间等问题）。

使这一挑战更加复杂的是，电机性能的量化方式与电子产品的评估方式截然不同。根据转速、转矩、共振、位置性能和加速/减速等因素判断电机，这些因素与传统的电子性能因素（如驱动电平、失真、线性和精度）有很大不同。此外，电机是电流驱动设备，大多数电气工程师对电压驱动组件更为熟悉。

如果您需要选择或使用电机，您可以做什么？

在某些情况下，设计师是幸运的：有经验或公认的方法来帮助指导选择和设计，例如，不需要带有反馈的可编程无刷直流电机控制器的廉价低功耗系统，使用带有简单控制器的有刷直流电机可能更有意义。但是，如果优先考虑更高的效率和耐用性而不是简单性和成本效益，那么无刷直流电机可能是最合理的选择，几乎没有例外。

但许多情况并非如此明朗，即使系统设计已经确定了使用交流还是直流的第一个决定，在电机类型、驱动器电路、控制算法以及驱动器和电机保护方面仍有许多问题需要考虑。出于这些原因，在早期设计阶段咨询客户或供应商的经验丰富的电机或运动控制应用专家通常是一个好主意。优秀的电机设计师有技术理解力和洞察力，这可以更快地找到正确的方向，从而避免漫长的、容易出错的、常常令人痛苦的学习曲线。这样做可以专注于优化一个从相当好到非常好的解决方案，而不是试图首先确定该解决方案的外观。

结论

不要害怕电机，从微小到巨大，数以亿计的马达被成功地设计成无数的产品，在完成一些成功的电机相关设计后，你甚至会发现它们既迷人又令人兴奋。