有刷电机、无刷电机

阅读引言：最近在备赛，自己之前虽然用过电机，但是发现在一些高要求的应用场景，发现自己对电机的知识理解得不是很透彻，所以写下这篇文章。

一、有刷电机内部原理

二、有刷电机一些关键参数

三、无刷电机内部原理

四、无刷电机一些关键参数

五、电机的一些专业名词

六、有刷电机和无刷电机比较

无刷电机图片：

有刷电机图片：

一、有刷电机内部原理

在学习有刷电机工作原理之前，我们需要先了解一些其它一些基础知识，如电路知识，磁场的知识。

电路(Circuit)基础知识:

看上述一副最简单的原理图，电池提供电流，依靠开关的通断点亮灯泡，将电池的极性反转，灯泡也能正常点亮，对电机来说，旋转的方向会发生变化，原理后面会说。

磁场基础知识：

同性相斥，异性相吸，这就是电机旋转力的来源，看下面这张图，固定住左边的磁铁，将右边的磁铁不停的将N级和S级换方向，这样是不是左边固定住的磁铁就能一直保持旋转了。

上述的磁体是永磁体，也就是它周围的磁场是一直存在的，上述描述的让固定的磁铁旋转的办法是一直改变右边磁铁的方向，这个时候其实就会发现这种办法异常的愚蠢。下面使用电路的方式实现NS级的磁性不停改变。

根据法拉第定律，给一个金属线圈通上电流之后就会产生磁场，磁场的方向使用右手螺旋定则来确定。如上图，是不是只需要不断的改变电流的方向，这样这个电磁铁的NS级就会不断的变化极性。当开关断开的时候，电磁铁的磁性消失，这个就是永磁铁无法做到的。

上图中需要不断的改变电流的方向，第一个反应是不是认为的将电池的正负极颠倒过来，原理是正确的，下面将介绍一个神奇的装置，他就是专门来实现不断改变电流的方向的。

电枢：一个对称的金属圆环，当左右两边的电刷接触到中间缝隙的时候，就能自动实现电流方向的改变。但是上面的这种结构会有一个问题，就是电机在旋转的时候不对称。

终极结构：

上图中增加了很多的线圈，也就是多了很多的换向缝隙，当电流流过不同的线圈的时候，对应的那个平板磁场就能旋转。

二、有刷电机一些关键参数

直流电机的关键参数主要包括额定电压、额定转速、额定转矩、额定电流、效率、电机电阻和电感以及转矩和转速常数等。详细介绍如下：

额定电压(V)：指电机在正常工作状态下能够持续承受的电压值，标准电压有助于确保电机安全有效地运作。
额定转速(rpm)：即在额定工作条件下，电机的旋转速度。不同的电机设计有不同的额定转速，这通常取决于其用途和设计特点。
额定转矩(N·m)：电机在额定工作条件下能够输出的扭矩值，反映了电机的力矩输出能力。
额定电流(A)：指流过电机的电流在标称条件下不应超过的值，这个参数决定了电机在长期运行时能够承担的电流负载。
效率(%)：反映电机转换能量的效率，即输入电能与输出机械能之间的比值。
电机电阻(Ω)：影响电机发热和功耗的重要参数，与电机绕组的材料有关。
电机电感(H)：影响电机动态特性的一个因素，包括启动性能和运行稳定性。
转矩常数(N·m/A 或 N·m/V)：表示单位电流或电压下电机产生的转矩大小。
转速常数(rpm/V 或 rpm/A)：代表在特定电压或电流下电机的旋转速度。
最大转速(rpm)：电机所能达到的最高转速，某些应用场合需要较宽的调速范围。
最大绕组温度(℃)：指电机在最恶劣工况下的绕组温度限值，超过此温度可能会损坏电机绝缘。

以上这些参数对于选择和使用直流电机至关重要，它们不仅决定了电机的工作性能，还对电机的寿命和可靠性有显著影响。在实际应用中，需要根据具体要求选择合适的电机型号，以确保电机能够在最佳状态下工作。

三、无刷电机内部原理

上图为无刷电机的基本模型示意，电机内部有三个线圈，每个线圈的一端都连接起来，另外一端引出到外部，中间有一个具有N/S两极的永磁铁内转子。如果我们按照一定的顺序给电机通电，转子就可以旋转起来。我们举例几种给电的情况来进行简单分析和模拟：

所以这里大家需要现有一个概念，无刷电机没有电刷，定子和转子的位置如下：

先说一下为什么需要引入无刷电机，有刷电机因为换向需要电刷，磨损大，噪音大。图中的1， 2， 3分别对应的就是原理图中的ABC三相，从电调就可以看出

这里的ABC就是位于无刷电机内部的三个线圈罢了。

无刷电机的转子位于外侧，外侧上面固定了两个永磁铁，这个时候我们改变123三个线圈的电流，实现相互吸引和排斥，就能使外侧的转子不停的旋转起来。

上面这张图表示的是给两个不同的线圈通电，一个在前面吸引，一个在后面排斥，就能是电机有更高的效率，左边的图会很形象。

那电机是如何直到啥时候给123(ABC)三个线圈通电断电的呢，这个时候有可以将电机分为有感和无感电机。

有感电机：通过一些霍尔传感器，检测转子上面的永磁铁的位置，就能实现判断定子上的永磁铁的位置来给123(abc)三个线圈通电断电了。

四、无刷电机一些关键参数

无刷电机的关键参数主要包括扭矩、转速和功率。具体介绍如下：

扭矩：扭矩是指电机转动力量的大小，反映了电机的负载能力。扭矩越大，电机所能承受的负载也就越大，通常表现电机的性能也越好。在实际应用中，需要考虑应用所需要的最大扭矩，并留有至少20%的余量以应对额外因素，如气隙空气阻力等。
转速：转速指的是电机在单位时间内旋转的速度，通常用每分钟转数（rpm）来表示。这个参数决定了无刷电机能够提供多快的运转速度。
功率：功率是衡量电机工作能力的一个重要指标，它代表了电机在单位时间内能做多少工。一个电机的功率是由其电压和电流决定的，公式为P=VI，其中P是功率，V是电压，I是电流。

此外，还有一些其他重要参数需要注意：

空载电流：这是指在指定电压下，电机无负载工作时的工作电流。了解空载电流有助于评估电机在不承载任何负载时的电能消耗水平。
KV值：KV值代表的是电机的转速常数，即在特定电压下电机的空转转速。这个参数对于需要精确控制转速的应用来说非常重要。

在选择无刷电机时，除了考虑上述关键性能参数外，还应该根据具体的应用场景和要求来确定合适的电机型号。例如，如果对尺寸有特定要求，那么电机规格就显得尤为重要。像2212或2216这样的数字，通常用来表示无刷电机的定子直径和高度，这对于确保电机能够适配安装空间非常关键。

五、电机的一些专业名词

在电机领域，专业名词是理解其技术特性和工作原理的关键。以下是一些常见的专业术语：

电机碳刷：这是电机中用于传输电流到转子的部件，通常由碳或石墨制成，具有良好的导电性和耐磨性。
电机参数：指的是描述电机性能和特征的一系列数值，如额定功率、转速、电压、电流等。
电机槽宽：指电机定子槽的宽度，与线圈的放置有关，影响电机的性能。
电机槽内导体：位于电机定子槽内的线圈或导体，是产生旋转磁场的重要组成部分。
电机常数：这是一个综合反映电机性能的参数，包括电机的结构和使用材料等特性。
杂散电感：指电机内部非理想电磁耦合产生的额外电感，会影响电机的性能。
定子：电机的静止部分，包含绕组和铁芯，用于产生旋转磁场。
转子：电机的旋转部分，在磁场中转动，从而将电能转换为机械能。
球隙：一种保护装置，用于防止过电压对电机造成损害。
电力变压器：用于升高或降低交流电压的设备，对于电力系统至关重要。
三相鼠笼感应电动机：一种常见的交流电动机类型，以其结构简单和成本低廉而广泛应用于工业领域。
直流电动机：使用直流电作为动力源，将电能转换为机械能的电动机。
交流电动机：使用交流电作为动力源，同样将电能转换为机械能的电动机。

了解这些专业名词有助于在研究和选择电机时，更加准确地理解其技术规格和适用性。

六、有刷电机和无刷电机比较

特性/电机类型	有刷电机	无刷电机
结构	具有碳刷和换向器，用于实现电流传输和转子转向变换。	没有碳刷和换向器，通常使用电子控制器实现转向变换。
效率	较低的效率，因为有碳刷摩擦产生的能量损失。	高效率，由于减少了碳刷摩擦和其他接触性损耗。
维护	需要定期更换碳刷，维护成本较高。	几乎不需要维护，因为磨损件较少。
寿命	较短，由于碳刷和换向器的磨损。	较长，没有易磨损的碳刷和换向器。
噪音和电磁干扰	产生较多噪音和电磁干扰，由于碳刷与换向器的接触。	低噪音、低电磁干扰，适用于要求安静和低干扰的环境。
控制	简单的控制方式，但调速性能较差。	可以实现精确的速度控制和高性能动态响应。
成本	制造成本较低，但由于维护和更换零件的需要，长期成本可能较高。	制造成本较高，但由于维护成本低，长期成本可能更有优势。
应用	适用于低成本、对效率和维护要求不高的应用。	适用于高效率、长寿命和低维护需求的应用。