2024年直流电机

参考资料：罗罗日记：直流电机的工作原理是什么？未来的电动车都会用直流电机吗？

0. 电机分类

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1. 直流电机

直流电机，就是用直流电驱动的电机，而交流电机则是用交流电来驱动的电机。

从性能来看，直流和交流的主要区别在于对速度的控制上。

直流电机的速度正比于电压，而交流电机的速度正比于频率及磁极数。

直流和交流都可以应用于伺服系统，但是交流电机可以承受更高的电流，所以工业应用中，常见的伺服电机是交流伺服电机。

所谓伺服，其实和电机的类型和结构没有关系，只要有反馈，形成闭环控制，就是伺服系统。这个反馈可以是基于位置，速度，扭矩等模式。而电机可以是任何类型的电机，比如步进电机，还有今天要说的直流有刷电机，直流无刷电机，以及交流伺服电机和感应电机，直驱电机等，都可以作为伺服电机，只要有反馈配置。

当然，更进一步，直流电机又可以分为有刷直流电机和无刷直流电机。

下图为有刷直流电机的结构：
下图为无刷直流电机的结构：

1.1 有刷直流电机

根据励磁方式的不同，直流有刷电机，又可以分为单独励磁直流电机，自励磁直流电机和永磁电机。

励磁就是定子线圈通电，产生吸引转子的磁场。

自励磁直流电机，根据绕线方式的不同，还可以继续分为：串联励磁电机，并联励磁电机和复合励磁电机（串联和并联）。
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有刷直流电机的工作原理示意图如下图所示：

有刷直流电机（Brushed DC Motor），定子是用永磁铁或者线圈做成，以形成固定磁场。

在定子一端上有固定碳刷，或者铜刷，负责把外部电流引入转子线圈。

而转子是由线圈构成，线圈连接轴端的换相器（Commutator），外部电流通过碳刷和换相器，到达转子线圈。

当线圈通电，产生磁场，这个磁场被永磁铁吸引，促使转子转动，转过一定角度后，转子线圈通过机械换相器和碳刷改变电流方向，从而改变磁场方向，保证转子连续转动。

有刷电机使用机械换相器，优点是结构简单，价格低廉，可以提供较高的扭矩，缺点是容易磨损，无法用于洁净室，而且寿命有限，需要定期维护。

1.2 无刷直流电机

无刷直流电机的工作原理图如下图所示。
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大多数无刷直流电机（Brushless DC Motor=BLDC），定子都是线圈组，而转子则是磁铁组。

所以不需要用刷子把电流引到定子上，这就是无刷的来历。

其运动原理也是磁场相吸，或者磁场互斥。

无刷直流电机和有刷直流电机的主要区别在于，无刷电机电流的大小和方向是直接通过控制器来改变的。

通常，定子有三组绕线，和控制电路相连，控制电路通过霍尔传感器得知转轴的位置，以此来判断接下来哪几相需要通电。

控制系统不停地改变通电相，并改变电流大小，来实现不同扭矩的控制。

正因为无刷电机是通过电子换相，所以可靠性更高，运行更安静，效率也更高。

通常无刷电机可以做得很小，并且拥有高扭矩重量比，当然，因为需要使用传感器和控制器，成本也随之升高。

1.2.1 通过霍尔传感器控制无刷直流电机

下图为无刷直流电机简化的结构示意图，端面上有三个霍尔传感器（Hall Sensor），转子转动，形成变化的磁场，传感器感应这个磁场，每个传感器可以输出0或者1，所以3个传感器可以输出110，101等3位数的不同组合，这些组合代表转子的不同位置。注意3号霍尔传感器在1号和2号之间。
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其中，转子是用永磁铁做成，转子转动，3个霍尔传感器被触发或者断开，感应转子的位置，然后把位置信息告诉控制器，控制器以此来决定下一步哪些线圈通电，哪些不通电，简言之就是实现电子换相（Electrical Commutation）。