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最全电机原理讲解 |一文搞懂有刷电机与无刷电机

　　

　　电机，俗称“马达”，是依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电机其实有很多分类，如有刷、无刷、单相、三相等等。今天推荐的是，以通俗易懂的方式给大家科普一下生活中最常用的两种——“有刷电机”和“无刷电机”。

　　大家肯定都听说过这句话，“某某某有两把刷子”，形容这个人比自己想象中的要厉害很多。其实这里“刷子”也是有刷电机和无刷电机最大的区别。

　　说起有刷电机，有刷电机是大家最早接触的一类电机，不得不提我们小时候玩的四驱车了。四驱车里的那个小马达就是有刷电机。有刷电机是所有电机中最基础的，不仅具有启动快速、制动及时、调速平稳、控制简单等优点，而且结构简单、价格便宜。

　　中学时物理课堂上介绍电动机也是以它为模型来展示的。有刷电机的主要结构就是定子+转子+电刷，通过旋转磁场获得转动力矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。

　　1.有刷电机工作原理

　　有刷电机是大家最早接触的一类电机，中学时物理课堂上介绍电动机也是以它为模型来展示的。有刷电机的主要结构就是定子+转子+电刷，通过旋转磁场获得转动力矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。

　　

　　

　　有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。

　　在有刷电机中，这个过程是将各组线圈的两个电源输入端，依次排成一个环，相互之间用绝缘材料分隔，组成一个象圆柱体的东西，与电机轴连成一体，电源通过两个碳元素做成的小柱子(碳刷)，在弹簧压力的作用下，从两个特定的固定位置，压在上面线圈电源输入环状圆柱上的两点，给一组线圈通电。

　　随着电机转动，不同时刻给不同线圈或同一个线圈的不同的两极通电，使得线圈产生磁场的N-S极与最靠近的永磁铁定子的N-S极有一个适合的角度差，磁场异性相吸、同性相斥，产生力量，推动电机转动。碳电极在线圈接线头上滑动，象刷子在物体表面刷，因此叫碳“刷”。

　　相互滑动，会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷;碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备。

　　有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。

　　在这个过程中，线圈的两个电源输入端依次排成一个环，相互之间用绝缘材料分隔，组成一个像圆柱体的东西，与电机轴连成一体，电源通过两个碳元素做成的小柱子(碳刷)，在弹簧压力的作用下，从两个特定的固定位置，压在上面线圈电源输入环状圆柱上的两点，给线圈通电。

　　随着电机转动，不同时刻给不同线圈或同一个线圈的两极通电，使得线圈产生磁场的N-S极与最靠近的永磁铁定子的N-S极有一个适合的角度差，磁场异性相吸、同性相斥，产生力量，推动电机转动。碳电极在线圈接线头上滑动，像刷子在物体表面刷，因此叫碳“刷”。

　　所谓“成也电刷，败也电刷”。由于相互滑动，会摩擦碳刷，造成损耗，碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备，再者，由于持续的滑动和摩擦，电刷会不断磨损消耗，这也是让有刷电机短命的罪魁祸首。

　　电刷损坏就得修啊，不过这一次又一次地维修会不会很麻烦？其实也不会啦，不过，如果有不用换电刷的电机不是更好吗？这就是无刷电机了。

　　2.无刷电机原工作理

　　无刷电机中，换相的工作交由控制器中的控制电路(一般为霍尔传感器+控制器，更先进的技术是磁编码器)来完成。

　　

　　

　　无刷电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷电机，是使用一套电子设备，通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。消除了有刷电机的缺点。

　　这些电路，就是电机控制器。无刷电机的控制器，还可以实现一些有刷电机不能实现的功能，比如调整电源切换角，制动电机，使电机反转，锁住电机，利用刹车信号，停止给电机供电。现在电瓶车的电子报警锁，就充分利用了这些功能。

　　无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

　　3.调速方式的区别

　　实际上两种电机的控制都是调压，只是由于无刷直流采用了电子换向，所以要有数字控制才可以实现了，而有刷直流是通过碳刷换向的，利用可控硅等传统模拟电路都可以控制，比较简单。

　　1、有刷马达调速过程是调整马达供电电源电压的高低。调整后的电压电流通过整流子及电刷地转换，改变电极产生的磁场强弱，达到改变转速的目的。这一过程被称之为变压调速。

　　2、无刷马达调速过程是马达的供电电源的电压不变，改变电调的控制信号，通过微处理器再改变大功率MOS管的开关速率，来实现转速的改变。这一过程被称之为变频调速。

　　4.性能的差异

　　TI的一个介绍视频关于有刷电机与无刷电机的对比，如下图所示，很完整。

　　

　　1)、有刷电机结构简单、开发久技术成熟

　　早在十九纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机在交流电产生以后得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。尤其是直流无刷电机一直无法投入商业运营，伴随着电子技术的日新月异，直至近几年才慢慢投入商业运营，就其实质来说依然属于交流电机范畴。

　　无刷电机诞生不久，人们就发明了直流有刷电机。由于直流有刷电机机构简单，生产加工容易，维修方便，容易控制;直流电机还具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，所以一经问世就得到了广泛应用。

　　2)、直流有刷电机响应速度快，起动扭矩大

　　直流有刷电机起动响应速度快，起动扭矩大，变速平稳，速度从零到最大几乎感觉不到振动，起动时可带动更大的负荷。无刷电机起动电阻大(感抗)，所以功率因素小，起动扭矩相对较小，起动时有嗡嗡声，并伴随着强烈震动，起动时带动负荷较小。

　　3)、直流有刷电机运行平稳，起、制动效果好

　　有刷电机是通过调压调速，所以起动和制动平稳，恒速运行时也平稳。无刷电机通常是数字变频控制，先将交流变成直流，直流再变成交流，通过频率变化控制转速，所以无刷电机在起动和制动时运行不平稳，振动大，只有在速度恒定时才会平稳。

　　4)、直流有刷电机控制精度高

　　直流有刷电机通常和减速箱、译码器一起使用，使的电机的输出功率更大，控制精度更高，控制精度可以达到0.01毫米，几乎可以让运动部件停在任何想要的地方。所有精密机床都是采用直流电机控制精度。无刷电机由于在启动和制动时不平稳，所以运动部件每次都会停到不同的位置上，必须通过定位销或限位器才可以停在想要的位置上。

　　5)、直流有刷电机使用成本低，维修方便

　　由于直流有刷电机结构简单，生产成本低，生产厂家多，技术比较成熟，所以应用也比较广泛，比如工厂、加工机床、精密仪器等，如果电机故障，只需更换碳刷即可，每个碳刷只需要几元，非常便宜。无刷电机技术不成熟，价格较高，应用范围有限，主要应在恒速设备上，比如变频空调、冰箱等，无刷电机损坏只能更换。

　　6)、无电刷、低干扰

　　无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。

　　7)、噪音低，运转顺畅

　　无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。

　　8)、寿命长，低维护成本

　　少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。