最全電機原理講解 |一文搞懂有刷電機與無刷電機
電機，俗稱“馬達”，是依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。電機其實有很多分類，如有刷、無刷、單相、三相等等。今天推薦的是，以通俗易懂的方式給大家科普一下生活中最常用的兩種——“有刷電機”和“無刷電機”。
大家肯定都聽說過這句話，“某某某有兩把刷子”，形容這個人比自己想象中的要厲害很多。其實這里“刷子”也是有刷電機和無刷電機最大的區(qū)別。
說起有刷電機，有刷電機是大家最早接觸的一類電機，不得不提我們小時候玩的四驅(qū)車了。四驅(qū)車里的那個小馬達就是有刷電機。有刷電機是所有電機中最基礎(chǔ)的，不僅具有啟動快速、制動及時、調(diào)速平穩(wěn)、控制簡單等優(yōu)點，而且結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜。
中學時物理課堂上介紹電動機也是以它為模型來展示的。有刷電機的主要結(jié)構(gòu)就是定子+轉(zhuǎn)子+電刷，通過旋轉(zhuǎn)磁場獲得轉(zhuǎn)動力矩，從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉(zhuǎn)動中起到導電和換相作用。
1.有刷電機工作原理
有刷電機是大家最早接觸的一類電機，中學時物理課堂上介紹電動機也是以它為模型來展示的。有刷電機的主要結(jié)構(gòu)就是定子+轉(zhuǎn)子+電刷，通過旋轉(zhuǎn)磁場獲得轉(zhuǎn)動力矩，從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉(zhuǎn)動中起到導電和換相作用。
有刷電機采用機械換向，磁極不動，線圈旋轉(zhuǎn)。電機工作時，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轉(zhuǎn)動的換相器和電刷來完成的。
在有刷電機中，這個過程是將各組線圈的兩個電源輸入端，依次排成一個環(huán)，相互之間用絕緣材料分隔，組成一個象圓柱體的東西，與電機軸連成一體，電源通過兩個碳元素做成的小柱子(碳刷)，在彈簧壓力的作用下，從兩個特定的固定位置，壓在上面線圈電源輸入環(huán)狀圓柱上的兩點，給一組線圈通電。
隨著電機轉(zhuǎn)動，不同時刻給不同線圈或同一個線圈的不同的兩極通電，使得線圈產(chǎn)生磁場的N-S極與最靠近的永磁鐵定子的N-S極有一個適合的角度差，磁場異性相吸、同性相斥，產(chǎn)生力量，推動電機轉(zhuǎn)動。碳電極在線圈接線頭上滑動，象刷子在物體表面刷，因此叫碳“刷”。
相互滑動，會摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷;碳刷與線圈接線頭之間通斷交替，會發(fā)生電火花，產(chǎn)生電磁破，干擾電子設(shè)備。
有刷電機采用機械換向，磁極不動，線圈旋轉(zhuǎn)。電機工作時，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轉(zhuǎn)動的換相器和電刷來完成的。
在這個過程中，線圈的兩個電源輸入端依次排成一個環(huán)，相互之間用絕緣材料分隔，組成一個像圓柱體的東西，與電機軸連成一體，電源通過兩個碳元素做成的小柱子(碳刷)，在彈簧壓力的作用下，從兩個特定的固定位置，壓在上面線圈電源輸入環(huán)狀圓柱上的兩點，給線圈通電。
隨著電機轉(zhuǎn)動，不同時刻給不同線圈或同一個線圈的兩極通電，使得線圈產(chǎn)生磁場的N-S極與最靠近的永磁鐵定子的N-S極有一個適合的角度差，磁場異性相吸、同性相斥，產(chǎn)生力量，推動電機轉(zhuǎn)動。碳電極在線圈接線頭上滑動，像刷子在物體表面刷，因此叫碳“刷”。
所謂“成也電刷，敗也電刷”。由于相互滑動，會摩擦碳刷，造成損耗，碳刷與線圈接線頭之間通斷交替，會發(fā)生電火花，產(chǎn)生電磁破，干擾電子設(shè)備，再者，由于持續(xù)的滑動和摩擦，電刷會不斷磨損消耗，這也是讓有刷電機短命的罪魁禍首。
電刷損壞就得修啊，不過這一次又一次地維修會不會很麻煩？其實也不會啦，不過，如果有不用換電刷的電機不是更好嗎？這就是無刷電機了。
2.無刷電機原工作理
無刷電機中，換相的工作交由控制器中的控制電路(一般為霍爾傳感器+控制器，更先進的技術(shù)是磁編碼器)來完成。
無刷電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉(zhuǎn)。無刷電機，是使用一套電子設(shè)備，通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，使用電子線路，適時切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅(qū)動電機。消除了有刷電機的缺點。
這些電路，就是電機控制器。無刷電機的控制器，還可以實現(xiàn)一些有刷電機不能實現(xiàn)的功能，比如調(diào)整電源切換角，制動電機，使電機反轉(zhuǎn)，鎖住電機，利用剎車信號，停止給電機供電。現(xiàn)在電瓶車的電子報警鎖，就充分利用了這些功能。
無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。
3.調(diào)速方式的區(qū)別
實際上兩種電機的控制都是調(diào)壓，只是由于無刷直流采用了電子換向，所以要有數(shù)字控制才可以實現(xiàn)了，而有刷直流是通過碳刷換向的，利用可控硅等傳統(tǒng)模擬電路都可以控制，比較簡單。
1、有刷馬達調(diào)速過程是調(diào)整馬達供電電源電壓的高低。調(diào)整后的電壓電流通過整流子及電刷地轉(zhuǎn)換，改變電極產(chǎn)生的磁場強弱，達到改變轉(zhuǎn)速的目的。這一過程被稱之為變壓調(diào)速。
2、無刷馬達調(diào)速過程是馬達的供電電源的電壓不變，改變電調(diào)的控制信號，通過微處理器再改變大功率MOS管的開關(guān)速率，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。這一過程被稱之為變頻調(diào)速。
4.性能的差異
TI的一個介紹視頻關(guān)于有刷電機與無刷電機的對比，如下圖所示，很完整。
1)、有刷電機結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)久技術(shù)成熟
早在十九紀誕生電機的時候，產(chǎn)生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機在交流電產(chǎn)生以后得到了廣泛的應(yīng)用。但是，異步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術(shù)發(fā)展緩慢。尤其是直流無刷電機一直無法投入商業(yè)運營，伴隨著電子技術(shù)的日新月異，直至近幾年才慢慢投入商業(yè)運營，就其實質(zhì)來說依然屬于交流電機范疇。
無刷電機誕生不久，人們就發(fā)明了直流有刷電機。由于直流有刷電機機構(gòu)簡單，生產(chǎn)加工容易，維修方便，容易控制;直流電機還具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，所以一經(jīng)問世就得到了廣泛應(yīng)用。
2)、直流有刷電機響應(yīng)速度快，起動扭矩大
直流有刷電機起動響應(yīng)速度快，起動扭矩大，變速平穩(wěn)，速度從零到最大幾乎感覺不到振動，起動時可帶動更大的負荷。無刷電機起動電阻大(感抗)，所以功率因素小，起動扭矩相對較小，起動時有嗡嗡聲，并伴隨著強烈震動，起動時帶動負荷較小。
3)、直流有刷電機運行平穩(wěn)，起、制動效果好
有刷電機是通過調(diào)壓調(diào)速，所以起動和制動平穩(wěn)，恒速運行時也平穩(wěn)。無刷電機通常是數(shù)字變頻控制，先將交流變成直流，直流再變成交流，通過頻率變化控制轉(zhuǎn)速，所以無刷電機在起動和制動時運行不平穩(wěn)，振動大，只有在速度恒定時才會平穩(wěn)。
4)、直流有刷電機控制精度高
直流有刷電機通常和減速箱、譯碼器一起使用，使的電機的輸出功率更大，控制精度更高，控制精度可以達到0.01毫米，幾乎可以讓運動部件停在任何想要的地方。所有精密機床都是采用直流電機控制精度。無刷電機由于在啟動和制動時不平穩(wěn)，所以運動部件每次都會停到不同的位置上，必須通過定位銷或限位器才可以停在想要的位置上。
5)、直流有刷電機使用成本低，維修方便
由于直流有刷電機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)廠家多，技術(shù)比較成熟，所以應(yīng)用也比較廣泛，比如工廠、加工機床、精密儀器等，如果電機故障，只需更換碳刷即可，每個碳刷只需要幾元，非常便宜。無刷電機技術(shù)不成熟，價格較高，應(yīng)用范圍有限，主要應(yīng)在恒速設(shè)備上，比如變頻空調(diào)、冰箱等，無刷電機損壞只能更換。
6)、無電刷、低干擾
無刷電機去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設(shè)備的干擾。
7)、噪音低，運轉(zhuǎn)順暢
無刷電機沒有了電刷，運轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許多，這個優(yōu)點對于模型運行穩(wěn)定性是一個巨大的支持。
8)、壽命長，低維護成本
少了電刷，無刷電機的磨損主要是在軸承上了，從機械角度看，無刷電機幾乎是一種免維護的電動機了，必要的時候，只需做一些除塵維護即可。
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