機(jī)械社區(qū)

說(shuō)起直流電機(jī)，其實(shí)我們每個(gè)人，每天都在用。

是嗎？

別驚訝，是的。

手機(jī)，我們每天都在用，有消息或者有電話時(shí)，手機(jī)就開(kāi)始振動(dòng)。

這個(gè)振動(dòng)就是用直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)然，直流電機(jī)在其他領(lǐng)域中也有很多應(yīng)用。

最典型的就是在汽車上的應(yīng)用，比如電動(dòng)車窗，雨刮，還有混合電動(dòng)車上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。

當(dāng)然，我們?cè)O(shè)計(jì)上，有時(shí)也用到直流有刷電機(jī)，因?yàn)榭刂坪?jiǎn)單，成本低。

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偏心輪式手機(jī)振動(dòng)電機(jī)工作示意圖

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硬幣式手機(jī)振動(dòng)電機(jī)工作示意圖

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偏心輪式手機(jī)振動(dòng)電機(jī)爆炸圖

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硬幣式和圓柱式手機(jī)振動(dòng)電機(jī)爆炸圖

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直流電機(jī)在混合電動(dòng)車上的應(yīng)用

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無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)車上的應(yīng)用

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直流有刷電機(jī)在雨刮系統(tǒng)中的應(yīng)用

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雨刮電機(jī)示意圖

那么，直流電機(jī)的工作原理是什么？

1.直流和交流電機(jī)的分類

談到直流，其實(shí)這里隱藏著電機(jī)的一種分類方法。

就是按照工作電流的不同，分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。

直流電機(jī)，就是用直流電驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，而交流電機(jī)則是用交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)。

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電機(jī)的基本分類

從性能來(lái)看，直流和交流的主要區(qū)別在于對(duì)速度的控制上。

直流電機(jī)的速度正比于電壓，而交流電機(jī)的速度正比于頻率及磁極數(shù)。

直流和交流都可以應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，但是交流電機(jī)可以承受更高的電流，所以工業(yè)應(yīng)用中，常見(jiàn)的伺服電機(jī)是交流伺服電機(jī)。

所謂伺服，其實(shí)和電機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)沒(méi)有關(guān)系，只要有反饋，形成閉環(huán)控制，就是伺服系統(tǒng)。

這個(gè)反饋可以是基于位置，速度，扭矩等模式。而電機(jī)可以是任何類型的電機(jī)，比如步進(jìn)電機(jī)，還有今天要說(shuō)的直流有刷電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)，以及我打算以后有機(jī)會(huì)聊聊的交流伺服電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，直驅(qū)電機(jī)等，都可以作為伺服電機(jī)，只要有反饋配置。

當(dāng)然，更進(jìn)一步，直流電機(jī)又可以分為直流有刷和直流無(wú)刷電機(jī)。

這里先上兩張圖，好對(duì)這兩種電機(jī)有個(gè)基本的感知。

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有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

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無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流有刷電機(jī)，又可以分為單獨(dú)勵(lì)磁直流電機(jī)，自勵(lì)磁直流電機(jī)和永磁電機(jī)。

勵(lì)磁就是定子線圈通電，產(chǎn)生吸引轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)。

自勵(lì)磁直流電機(jī)，根據(jù)繞線方式的不同，還可以繼續(xù)分為：串聯(lián)勵(lì)磁電機(jī)，并聯(lián)勵(lì)磁電機(jī)和復(fù)合勵(lì)磁電機(jī)（串聯(lián)和并聯(lián)）。

幾種不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)（圖片未上傳，因?yàn)閿?shù)量已達(dá)到上限）

幾種直流電機(jī)的速度扭矩曲線圖，只有永磁式直流電機(jī)是一條直線（圖片未上傳，因?yàn)閿?shù)量已達(dá)到上限）

2.有刷直流電機(jī)的工作原理

好了，上面我們了解了直流電機(jī)的應(yīng)用，也看完了分類。

那么，接下來(lái)可以說(shuō)說(shuō)直流電機(jī)的工作原理了。

這里先從最簡(jiǎn)單的有刷電機(jī)說(shuō)起。

這個(gè)很簡(jiǎn)單，上兩張動(dòng)畫一看就明白了。

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有刷直流電機(jī)工作示意圖

直流有刷電機(jī)（Brushed DC Motor），定子是用永磁鐵或者線圈做成，以形成固定磁場(chǎng)。

在定子一端上有固定碳刷，或者銅刷，負(fù)責(zé)把外部電流引入轉(zhuǎn)子線圈。

而轉(zhuǎn)子是由線圈構(gòu)成，線圈連接軸端的換相器（Commutator），外部電流通過(guò)碳刷和換相器，到達(dá)轉(zhuǎn)子線圈。

當(dāng)線圈通電，產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)被永磁鐵吸引，促使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，轉(zhuǎn)子線圈通過(guò)機(jī)械換相器和碳刷改變電流方向，從而改變磁場(chǎng)方向，保證轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

有刷電機(jī)使用機(jī)械換相器，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可以提供較高的扭矩，缺點(diǎn)是容易磨損，無(wú)法用于潔凈室，而且壽命有限，需要定期維護(hù)。

3.無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理

我們?cè)賮?lái)看看無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理。

還是先上一張動(dòng)畫，先有個(gè)感知。

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無(wú)刷直流電機(jī)工作示意圖

大多數(shù)無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor=BLDC），定子都是線圈組，而轉(zhuǎn)子則是磁鐵組。

所以不需要用刷子把電流引到定子上，這就是無(wú)刷的來(lái)歷。

其運(yùn)動(dòng)原理也是磁場(chǎng)相吸，或者磁場(chǎng)互斥。

無(wú)刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)的主要區(qū)別在于，無(wú)刷電機(jī)電流的大小和方向是直接通過(guò)控制器來(lái)改變的。

通常，定子有三組繞線，和控制電路相連，控制電路通過(guò)霍爾傳感器得知轉(zhuǎn)軸的位置，以此來(lái)判斷接下來(lái)哪幾相需要通電。

控制系統(tǒng)不停地改變通電相，并改變電流大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同扭矩的控制。

正因?yàn)闊o(wú)刷電機(jī)是通過(guò)電子換相，所以可靠性更高，運(yùn)行更安靜，效率也更高。

通常無(wú)刷電機(jī)可以做得很小，并且擁有高扭矩重量比，當(dāng)然，因?yàn)樾枰�使用傳感器和控制器，成本也隨之升高。

OK，上面我們粗略地了解了一下無(wú)刷直流電機(jī)。

那么下面，我們?cè)賮?lái)仔細(xì)看一下，控制器是如何通過(guò)霍爾傳感器的狀態(tài)來(lái)改變輸入相的。

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無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)示意圖，端面上有三個(gè)霍爾傳感器（Hall Sensor），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，形成變化的磁場(chǎng)，傳感器感應(yīng)這個(gè)磁場(chǎng)，每個(gè)傳感器可以輸出0或者1，所以3個(gè)傳感器可以輸出110，101等3位數(shù)的不同組合，這些組合代表轉(zhuǎn)子的不同位置。注意3號(hào)霍爾傳感器在1號(hào)和2號(hào)之間。

如上圖，轉(zhuǎn)子是用永磁鐵做成，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，3個(gè)霍爾傳感器被觸發(fā)或者斷開(kāi)，感應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置，然后把位置信息告訴控制器，控制器以此來(lái)決定下一步哪些線圈通電，哪些不通電，簡(jiǎn)言之就是實(shí)現(xiàn)電子換相（Electrical Commutation）。

所以，這里的霍爾傳感器起到溝通的作用，而這一點(diǎn)在有刷直流電機(jī)中，是用物理碳刷和機(jī)械換相器相互配合才得以實(shí)現(xiàn)。

那么，讓我們?cè)倬唧w一點(diǎn)，來(lái)看看三個(gè)霍爾傳感器是如何感應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置，然后告訴電機(jī)換相并實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的。

三相霍爾傳感器式伺服電機(jī)（圖片未上傳，因?yàn)閿?shù)量已達(dá)到上限）

如上圖，一個(gè)磁極可以同時(shí)覆蓋兩個(gè)霍爾傳感器，圖中時(shí)刻，1號(hào)霍爾對(duì)準(zhǔn)S極，而2號(hào)和3號(hào)霍爾對(duì)準(zhǔn)N極，如果S極觸發(fā)霍爾，N極熄滅霍爾，那么上圖霍爾狀態(tài)可以表示100位置。

我們?cè)賮?lái)看看更細(xì)節(jié)的情況，如下圖。

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使電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)：霍爾狀態(tài)和線圈通電次序的關(guān)系，轉(zhuǎn)子上S極附近有個(gè)小黑點(diǎn)，用來(lái)表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

驅(qū)動(dòng)器一次給兩組線圈通電，另一組線圈不通電。

按照慣例，電流流入的線圈在定子上產(chǎn)生北極磁場(chǎng)N，電流流出的線圈則在定子上產(chǎn)生南極磁場(chǎng)S。

現(xiàn)在，想要實(shí)現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如何使用霍爾狀態(tài)，來(lái)切換線圈通電次序和通電方向？

舉例說(shuō)明吧，比如霍爾感應(yīng)是100狀態(tài)，也就是上面的第一張圖時(shí)，那么這個(gè)時(shí)候告訴驅(qū)動(dòng)器接通AB相，且電流從B相流入，A相流出。這樣B線圈組形成N極，A線圈組形成S極。線圈N極和與其正對(duì)的轉(zhuǎn)子N極相互排斥，并且吸引和它較近的轉(zhuǎn)子S極，而線圈S極，則吸引轉(zhuǎn)子N極，實(shí)現(xiàn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

同理，可以推導(dǎo)其他霍爾狀態(tài)時(shí)，線圈應(yīng)該如何通電。

最后就形成如上圖所示的6個(gè)霍爾狀態(tài)，以及在此狀態(tài)下線圈應(yīng)該從哪個(gè)線圈流入，從哪個(gè)線圈流出的順序圖。

上面這個(gè)圖理解起來(lái)有點(diǎn)兒復(fù)雜。

如果把霍爾時(shí)序和繞組通電順序及方向，畫在一張圖上，就是下面這幅圖，這個(gè)理解起來(lái)要輕松一點(diǎn)。

基于霍爾狀態(tài)，來(lái)進(jìn)行電子換相，實(shí)現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（圖片未上傳，因?yàn)閿?shù)量已達(dá)到上限）

理解了這兩幅圖，也就理解了無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理，甚至是伺服電機(jī)的工作原理。

4.未來(lái)電動(dòng)車都會(huì)用直流電機(jī)嗎？

好了，上面的原理部分，我們可以找時(shí)間慢慢弄懂。

現(xiàn)在，我們回到標(biāo)題中的問(wèn)題，未來(lái)的電動(dòng)車都會(huì)用直流電機(jī)嗎？

純電動(dòng)車布局（圖片未上傳，因?yàn)閿?shù)量已達(dá)到上限）

純電動(dòng)車使用感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)（圖片未上傳，因?yàn)閿?shù)量已達(dá)到上限）

其實(shí)現(xiàn)在，混合電動(dòng)車還是被無(wú)刷直流電機(jī)主宰，而純電動(dòng)車則被感應(yīng)電機(jī)主宰（關(guān)于感應(yīng)電機(jī)，以后有機(jī)會(huì)我們?cè)倭�，今天就不喧賓奪主了）。

感應(yīng)電機(jī)在純電動(dòng)車上的普及使用，還是有它的優(yōu)勢(shì)的。

第一，感應(yīng)電機(jī)的效率>=直流電機(jī)。

感應(yīng)電機(jī)在與智能逆變器一起使用時(shí)，可以優(yōu)化磁損耗和傳導(dǎo)損耗，從而優(yōu)化效率。

使用無(wú)刷直流電機(jī)時(shí)，隨著機(jī)器尺寸的增加，磁損耗成比例增加，效率下降。使用感應(yīng)電機(jī)，隨著機(jī)器尺寸的增加，損耗不一定會(huì)增加。

盡管感應(yīng)電機(jī)峰值效率略低于無(wú)刷直流電機(jī)，但平均效率實(shí)際上可能更好。

第二，成本方面，感應(yīng)電機(jī)優(yōu)于無(wú)刷直流電機(jī)。

永磁體很貴，大約每公斤50美元。另外，永磁（PM）轉(zhuǎn)子也很難處理，因?yàn)榇判蕴珡?qiáng)，當(dāng)任何鐵磁靠近它時(shí)，都有很強(qiáng)大的吸引力。

感應(yīng)電機(jī)的磁場(chǎng)可調(diào)，雖然需要逆變器和更復(fù)雜的控制，但是成本似乎更低。

那么未來(lái)的情況呢？

這很難說(shuō)，看科技的發(fā)展吧。

如果我可以預(yù)測(cè)未來(lái)，那該多好！

你說(shuō)呢？

相關(guān)閱讀：

霍爾傳感器的原理是什么？有哪些應(yīng)用？有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

（本篇未發(fā)布在本論壇，僅發(fā)布在我公眾號(hào)：羅羅日記，需要了解的，可以關(guān)注并查閱）

步進(jìn)電機(jī)的原理是什么？它有哪3種運(yùn)行模式？如何防止丟步？

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光柵尺的原理是什么？怎么選擇？供應(yīng)商都沒(méi)講明白，6年了我第一次聽(tīng)懂

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電動(dòng)車參考觀點(diǎn)：

Induction Versus DC Brushless Motors

https://www.tesla.com/blog/induction-versus-dc-brushless-motors

AC Induction motor. Why?

https://forums.tesla.com/discussion/23036/ac-induction-motor-why