這是無刷電機技術手冊系列的第2部分，它解釋了有刷電機的結構和工作原理以供比較。接下來我們將解釋無刷電機。

在講解無刷電機的工作原理之前，我們先介紹一下無刷電機的前身——直流電機的結構和轉動原理。DC電機是direct-current motor的簡稱，顧名思義就是施加直流電壓旋轉的電機。

有刷直流電機結構與原理

2.1 直流電機結構及轉動原理

2.1.1 有刷直流電機結構

直流(有刷)電機的一般結構如圖 2.1 所示。

永磁體位于定子內，位于定子中心的是包含繞組的轉子。轉子包含數個繞組，兩端與換向器相連。電流通過與電刷接觸的換向器流過繞組。該結構是這樣的結構，轉子的旋轉切換換向器片與電刷接觸，并且電流流過的繞組也依次切換，從而繼續旋轉。

2.1.2 有刷直流電機轉動原理

現在，我們將使用圖 2.2 中所示的弗萊明左手法則

和圖 2.3 中所示的簡化模型來解釋直流電動機的旋轉原理。

使電流流過放置在磁場中的導體會使導體受到力(電磁力)。根據弗萊明左手法則，磁場、電流和電磁力的方向相互正交。這種情況下產生的電磁力與磁場強度、磁導率和電流值成正比。

磁導率μ是表示物質被磁化難易程度的系數，磁場強度H與磁導率μ的乘積稱為磁通密度B。

在圖 2.3 所示的簡化模型中，一對永磁體的北極和南極相互面對。單個線圈繞組位于永磁體之間，該結構允許它繞點劃線自由旋轉。線圈的兩端連接到與電刷接觸的換向器。電刷連接到直流電源，電流從正極提供，通過線圈返回

負極。

為了解釋電機的旋轉原理，我們假設圖 2.3 中所示繞組的方向是初始點(0°)。

1、電流i流經電刷和換向器到達磁場內的線圈

。

2、根據弗萊明左手定則，電磁力F在北極側的導體中向上運動，在南極側的導體中向下運動，線圈順時針旋轉。

3、當線圈旋轉接近90°時，如圖2.4所示，換向器與電刷不再接觸，電流無法流動。雖然電流可能不流動，但線圈會通過慣性力旋轉。

4、當線圈靠慣性力轉動時，換向器與電刷再次接觸，使電流流動，產生電磁力。當它旋轉到圖 2.5 所示的 180°位置時，它進入與圖 2.3 所示相同的狀態。

如上所述，電刷和與其接觸的換向片交換位置，從而改變流過線圈的電流方向，從而在線圈中產生沿一個方向移動的電磁力。這允許直流電機繼續旋轉。改變流過線圈的電流方向的行為稱為換向。

提示：電機扭矩

導體中產生的電磁力F、磁通密度B和電流 i 之間存在如下關系。

F = i B l (2.1)

l：導體穿過磁場的長度

另外，假設旋轉軸中心到導體的距離為r，因為線圈可以看作是2個導體，所以作用在旋轉軸上的力矩T為：

T = 2 F r (2.2)

根據公式(2.1)和公式(2.2)，電機產生的轉矩可由下式計算。

T = 2 i B lr

= Kt i (2.3)

Kt：扭矩常數

扭矩常數Kt是電機固有的值。由式(2.3)可知，直流電機的轉矩與電流成正比。

2.1.3 有刷直流電機特性

直流電機的速度-轉矩特性如圖 2.6 所示。在無負載狀態(軸上沒有負載)下達到最高速度，并且隨著負載扭矩的增加，轉速

降低。當電機轉速為零時(軸處于固定狀態)，

產生失速轉矩。

這種向右下傾斜的特性稱為傾斜特性。在實際使用直流電機時

，這種特性會導致在負載扭矩和電機輸出扭矩處于平衡狀態時發生旋轉。例如，如果以電壓V1施加負載轉矩TL，則轉速為N1。

另外，如式(2.3)所示，產生的轉矩與電流成正比。因此，隨著外加電壓從V1→V2→V3的增加，電機電流增加，速度-轉矩特性發生變化。如果施加的電壓從 V1 變為 V2 再到 V3，在恒定的負載轉矩 TL 下，轉速將從 N1 變為 N2 然后變為 N3。如果外加電壓為V1，負載轉矩從T1增加到T2或T3，電機將停止，但如果外加電壓從V1變為V2或V3，電機產生的轉矩變為T2或T3，為此原因是電機可以在 Ns 的恒定轉速下運行。

2.1.4 有刷直流電機特點

有刷直流電動機的特點如下所示。

優點

有 2 根導線，施加直流電壓即可旋轉。

反轉電源的極性會反轉旋轉方向。

由于使用了永磁體，直流電機結構緊湊、重量輕且效率高。

起動力矩大，可控性好。

扭矩與電壓(電流)成正比。

可以用干電池和電池操作。

低成本

缺點

電刷磨損會縮短使用壽命。

產生機械噪音。

產生電噪聲。

由于直流電機只需連接直流電源即可運行，因此可用于多種應用。然而，由于電刷與換向器相互滑動會導致電刷磨損，因此需要對磨損粉進行清理、更換電刷等定期維護。隨著電機使用數量的增加，維護變得越來越困難，這就增加了對長壽命免維護電機的需求。

在本技術手冊-無刷電機系列的下一部分，我們將解釋無刷電機的結構和原理，并與有刷電機進行比較。請訂閱此博客以收到未來帖子的通知!

審核編輯：湯梓紅