什么是有刷電機(jī)？它是如何工作的？

有刷電機(jī)是內(nèi)含電刷裝置的將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(電動(dòng)機(jī))或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能(發(fā)電機(jī))的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。有刷電機(jī)是所有電機(jī)的基礎(chǔ)，它具有啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換向器和電刷來(lái)完成的。在電動(dòng)車行業(yè)有刷電機(jī)分高速有刷電機(jī)和低速有刷電機(jī)。有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)有很多區(qū)別，從名字上可以看出有刷電機(jī)有碳刷，無(wú)刷電機(jī)沒有碳刷。有刷電機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子上有磁極(繞組式或永磁式)，轉(zhuǎn)子有繞組，通電后，轉(zhuǎn)子上也形成磁場(chǎng)(磁極)，定子和轉(zhuǎn)子的磁極之間有一個(gè)夾角，在定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)(N極和S極之間)的相互吸引下，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。改變電刷的位置，就可以改變定轉(zhuǎn)子磁極夾角(假設(shè)以定子的磁極為夾角起始邊，轉(zhuǎn)子的磁極為另一邊，由轉(zhuǎn)子的磁極指向定子的磁極的方向就是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向)的方向，從而改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

一、有刷直流電機(jī)工作原理

下面這個(gè)是LearnEngineering制作的動(dòng)畫，講解的是直流電機(jī)的工作原理，就是把電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。

直流有刷電機(jī)是大家最早接觸的一類電機(jī)，中學(xué)時(shí)物理課堂上介紹電動(dòng)機(jī)也是以它為模型來(lái)展示的。直流有刷電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)就是定子+轉(zhuǎn)子+電刷，通過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)獲得轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而輸出動(dòng)能。電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉(zhuǎn)動(dòng)中起到導(dǎo)電和換相作用。

具體我們從動(dòng)圖就能很好理解，在磁場(chǎng)中放置線圈，通過流動(dòng)的電流，線圈會(huì)被一側(cè)的磁極排斥，同時(shí)被另一側(cè)磁極所吸引，在這種作用下不斷旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中令通向線圈中的電流反向流動(dòng)，使其持續(xù)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)中有個(gè)叫"換向器"的部分是靠"電刷"供電的，"電刷"的位置在"轉(zhuǎn)向器"上方，隨著旋轉(zhuǎn)不斷移動(dòng)。通過改變電刷的位置，可使電流方向發(fā)生變化。換向器和電刷是DC電機(jī)的旋轉(zhuǎn)所不可或缺的結(jié)構(gòu)。

直流有刷電機(jī)是所有電機(jī)的基礎(chǔ)，它具有啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

二、無(wú)刷直流電機(jī)工作原理

簡(jiǎn)單的說一下無(wú)刷電機(jī)(BLDC電機(jī))。

LearnEngineering制作的動(dòng)畫，講解了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。無(wú)刷直流電機(jī)主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無(wú))組成!

無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。

無(wú)刷就是有刷電機(jī)中的“電刷”沒有了，電刷在有刷電機(jī)里扮演的角色是通過換向器向轉(zhuǎn)子里的線圈通電。那么沒有電刷的電機(jī)是如何向轉(zhuǎn)子里的線圈通電的呢?

原來(lái)無(wú)刷電機(jī)采用永磁體來(lái)做轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子里是沒有線圈的。由于轉(zhuǎn)子里沒有線圈，所以不需要用于通電的換向器和電刷。取而代之的是作為定子的線圈。

無(wú)刷電機(jī)的起源從頭來(lái)講也是比較簡(jiǎn)單的：大部分有刷直流電機(jī)的問題都來(lái)自于電刷。電刷可能打火花、磨損、產(chǎn)生很強(qiáng)的噪音并產(chǎn)生很大一部分功耗，導(dǎo)致速度被嚴(yán)重限制，且不容易冷卻。

這意味著您不能在任何易燃周圍、需要長(zhǎng)使用壽命、靜音或高效率的應(yīng)用條件下、在任何高速或高功耗系統(tǒng)中使用有刷直流電機(jī)。這都是電刷顯著的缺點(diǎn)，取消電刷就可以解決這些問題，但是不好的地方是同時(shí)消除了機(jī)械換向。

有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

缺乏機(jī)械換向會(huì)造成其它問題，因?yàn)殡姍C(jī)需要換向。無(wú)刷電機(jī)使用電氣換向，這種換向方式下，您需要確保電機(jī)中的電流始終產(chǎn)生一個(gè)可以移動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)。但是看看下圖，需要先知道轉(zhuǎn)子在哪里，才能考慮如何施加電流來(lái)移動(dòng)轉(zhuǎn)子。

一、有刷馬達(dá)的原理

有刷馬達(dá)選用機(jī)械卸荷，磁力線不動(dòng)，導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)。馬達(dá)工作時(shí)，導(dǎo)線和卸荷器旋轉(zhuǎn)，磁鐵和電刷不轉(zhuǎn)，導(dǎo)線電壓方向的交替變化是隨馬達(dá)晃動(dòng)的換相器和電樞來(lái)完成的。

在有刷馬達(dá)中，這個(gè)過程是將各組導(dǎo)線的兩個(gè)電源鍵入端，依次排成一個(gè)環(huán)，互相之間用絕緣材料分隔，組成一個(gè)象圓錐體的東西，與馬達(dá)軸連成一體，電源通過兩個(gè)碳元素弄成的小木柱(電刷)，在彈簧壓力的作用下，從兩個(gè)特定的固定位置，壓在底下導(dǎo)線電源鍵入環(huán)型圓錐上的兩點(diǎn)，給一組導(dǎo)線通電。

隨著馬達(dá)搖動(dòng)無(wú)刷電機(jī)是什么意思，不同時(shí)刻給不同導(dǎo)線或同一個(gè)繞組的不同的兩極通電，并且導(dǎo)線形成磁場(chǎng)的N-S極與最緊靠的永磁石轉(zhuǎn)子的N-S極有一個(gè)適宜的視角差，磁場(chǎng)異性相吸、同性相斥，形成力量，促使馬達(dá)搖動(dòng)。碳負(fù)極在導(dǎo)線接線頭上滑動(dòng)，象毛刷在質(zhì)點(diǎn)表面刷，所以叫碳“刷”。

互相滑動(dòng)，會(huì)磨擦電刷，致使耗損，還要定期更換電刷;電刷與導(dǎo)線接線頭之間通斷交替，會(huì)發(fā)生電火花，形成電磁破，干擾電子設(shè)備。

二、無(wú)刷馬達(dá)工作原理

無(wú)刷馬達(dá)采取電子卸荷，導(dǎo)線不動(dòng)，磁力線旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷馬達(dá)，是使用一套電子設(shè)備，通過霍爾器件，感知永磁體磁體的位置，依據(jù)這些感知，使用電子線路，適時(shí)切換導(dǎo)線中電流的方向，保證形成正確方向的磁力，來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。清除了有刷馬達(dá)的劣勢(shì)。

這種電路，就是馬達(dá)控制器。無(wú)刷馬達(dá)的控制器，還可以實(shí)現(xiàn)一些有刷馬達(dá)不能實(shí)現(xiàn)的功能，例如調(diào)整電源切換角，剎車馬達(dá)，使馬達(dá)反轉(zhuǎn)，封住馬達(dá)，運(yùn)用制動(dòng)訊號(hào)，停止給馬達(dá)電業(yè)。目前電池車的電子報(bào)案鎖，就充分運(yùn)用了這種功能。

無(wú)刷直流馬達(dá)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的電氣一體化產(chǎn)品。因?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，因此不會(huì)象變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步馬達(dá)這樣在定子上另加啟動(dòng)線圈，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)形成震蕩和失步。

三、調(diào)速手段的差別

實(shí)際上兩種馬達(dá)的控制都是調(diào)壓，也是因?yàn)闊o(wú)刷直流選用了電子卸荷，因此要有數(shù)字控制才可以實(shí)現(xiàn)了，而有刷直流是通過電刷卸荷的，運(yùn)用可控硅等傳統(tǒng)模擬電路都可以控制，比較簡(jiǎn)略。

1、有刷電機(jī)調(diào)速過程是調(diào)整電機(jī)電業(yè)電源電流的高低。調(diào)整后的電流電壓通過移相子及電樞地轉(zhuǎn)化，改變負(fù)極形成的磁場(chǎng)優(yōu)劣，達(dá)到改變扭矩的目的。這一過程被稱之為變壓調(diào)速。

2、無(wú)刷電機(jī)調(diào)速過程是電機(jī)的電業(yè)電源的電流不變，改變電調(diào)的控制訊號(hào)，通過微處理器再改變大功率MOS管的繼電器速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩的改變。這一過程被稱之為變頻調(diào)速。

四、性能差距

1、有刷馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)略、開發(fā)時(shí)間久、技術(shù)成熟

早在十九紀(jì)誕生馬達(dá)的時(shí)侯，形成的實(shí)用性馬達(dá)就是無(wú)刷方式，即交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)在交流電形成之后得到了廣泛的應(yīng)用。雖然，異步電動(dòng)機(jī)有許多難以擺脫的缺陷，致使馬達(dá)技術(shù)發(fā)展平緩。尤其是直流無(wú)刷馬達(dá)仍然未能投入商業(yè)營(yíng)運(yùn)，伴隨著電子技術(shù)的日新月異，直到近幾年才逐漸投入商業(yè)營(yíng)運(yùn)，就其實(shí)質(zhì)來(lái)說仍然屬于交流馬達(dá)范疇。

無(wú)刷馬達(dá)誕生不久，人們就發(fā)明了直流有刷馬達(dá)。因?yàn)橹绷饔兴ⅠR達(dá)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)略，生產(chǎn)加工容易，修理便于，容易控制;直流馬達(dá)還具備響應(yīng)迅速、較大的起動(dòng)力矩、從零車速至額定車速具有可提供額定力矩的功耗，因此一經(jīng)問世就得到了廣泛應(yīng)用。

2、直流有刷馬達(dá)響應(yīng)速率快，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大

直流有刷馬達(dá)起動(dòng)響應(yīng)速率快，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，變速平緩，速率從零到最大幾乎覺得不到震動(dòng)，起動(dòng)時(shí)可推動(dòng)更大的負(fù)荷。無(wú)刷馬達(dá)起動(dòng)電感大(感抗)，因此功率誘因小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小無(wú)刷電機(jī)是什么意思，起動(dòng)時(shí)有嗡嗡聲，并伴隨著強(qiáng)烈振動(dòng)，起動(dòng)時(shí)推動(dòng)負(fù)荷較小。

3、直流有刷馬達(dá)運(yùn)行平緩，起、制動(dòng)療效好

有刷馬達(dá)是通過調(diào)壓調(diào)速，因此起動(dòng)和煞車平緩，恒速運(yùn)行時(shí)也平緩。無(wú)刷馬達(dá)一般是數(shù)字變頻控制，先將交流弄成直流，直流再弄成交流，通過速率變化控制車速，因此無(wú)刷馬達(dá)在起動(dòng)和煞車時(shí)運(yùn)行不平緩，震動(dòng)大，只有在速率恒定時(shí)就會(huì)平緩。

4、直流有刷馬達(dá)控制精度高

直流有刷馬達(dá)一般和減速箱、譯碼器一起使用，使的馬達(dá)的輸出功率更大，控制精度更高，控制精度可以達(dá)到0.01毫米，幾乎可以讓運(yùn)動(dòng)部件停在任何想要的地方。所有精密磨床都是選用直流馬達(dá)控制精度。無(wú)刷馬達(dá)因?yàn)樵趩?dòng)和剎車時(shí)不平緩，因此運(yùn)動(dòng)部件每天就會(huì)停到不同的位置上，應(yīng)當(dāng)通過定位銷或限位器才可以停在想要的位置上。

5、直流有刷馬達(dá)使用費(fèi)用低，修理便于。因?yàn)橹绷饔兴ⅠR達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)略，生產(chǎn)費(fèi)用低，生產(chǎn)廠商多，技術(shù)比較成熟，因此應(yīng)用也比較廣泛，例如車間、加工車床、精密儀器等，假如馬達(dá)故障，只需更換電刷即可，每位電刷只須要幾元，十分實(shí)惠。無(wú)刷馬達(dá)技術(shù)不成熟，售價(jià)較高，應(yīng)用范圍有限，主要應(yīng)在恒速設(shè)備上，例如變頻冰箱、冰箱等，無(wú)刷馬達(dá)毀壞只好更換。

6、無(wú)碳刷、低干擾

無(wú)刷馬達(dá)去不僅變流器，最直接的變化就是沒有了有刷馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)形成的電火花，那樣就極大提高了電火花對(duì)遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。

7、噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢

無(wú)刷馬達(dá)沒有了導(dǎo)輪，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨擦力大大減低，運(yùn)行順暢，噪聲會(huì)低許多，這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)很大的支持。

8、壽命長(zhǎng)，低維護(hù)費(fèi)用

少了導(dǎo)輪，無(wú)刷馬達(dá)的磨蝕主要是在軸套上了，從機(jī)械視角看，無(wú)刷馬達(dá)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了，必要的時(shí)侯，只需做一些除塵維護(hù)即可。