直流有刷电机原理详解

为什么电动工具(比如手电钻、角磨机等)一般都用有刷电机，而不是无刷电机?要想搞明白，这个还真是用一两句话讲不清楚。

直流电机分为有刷电机和无刷电机，这里所说的“刷”是指碳刷。那碳刷长什么样呢?

那直流电机为什么要碳刷呢?有碳刷和没碳刷有什么不一样呢?我们接着往下看!

直流有刷电机原理

如图1所示，这是一个直流有刷电机结构模型图。两个固定的异性磁铁，中间放置一个线圈，线圈两端分别接在两个半圆形的铜环上，铜环两端与固定的碳刷相接触，然后给碳刷两端分别接上直流电源。

▲ 图1

接上电源以后，电流如图1中箭头所示。根据左手定则，黄色线圈受到垂直向上的电磁力;蓝色线圈受到垂直向下的电磁力。电机转子开始作顺时针旋转，旋转90度以后，如图2所示：

▲ 图2

此时，碳刷刚好在两个铜环中间空隙处，整个线圈回路没有电流。但是在惯性的作用下，转子依然在继续旋转。

▲ 图3

转子在惯性的作用下转到上述位置时，线圈电流如图3所示。根据左手定则，蓝色线圈受到垂直向上的电磁力;黄色线圈受到垂直向下的电磁力。电机转子继续作顺时针旋转，旋转90度以后，此时，碳刷刚好也在两个铜环中间空隙处，整个线圈回路没有电流。但是在惯性的作用下，转子依然在继续旋转。然后又重复上述步骤，一直循环下去。

直流无刷电机

如图5所示，这是一个直流无刷电机结构模型图。它是由定子和转子两部分组成，其中转子上有一对磁极;定子上面绕了有很多组线圈，图中画了有6组线圈。

▲ 图5

当我们给定子线圈2、5通入电流，此时线圈2、5会产生磁场，定子相当于一个条形磁铁，其中2为S(南)极、5为N(北)极。由于同性磁极互相吸引，所以转子N极会旋转到线圈2位置，转子S极会旋转到线圈5位置，图6。

▲ 图6

然后我们把定子线圈2、5电流撤掉，再给定子线圈3、6通入电流。此时线圈3、6会产生磁场，定子相当于一个条形磁铁，其中3为S(南)极、6为N(北)极。由于同性磁极互相吸引，所以转子N极会旋转到线圈3位置，转子S极会旋转到线圈6位置，图7。

▲ 图7

同理，再把定子线圈3、6电流撤掉，再给定子线圈4、1通入电流。此时线圈4、1会产生磁场，定子相当于一个条形磁铁，其中4为S(南)极、1为N(北)极。由于异性磁极互相吸引，所以转子N极会旋转到线圈4位置，转子S极会旋转到线圈1位置。

至此，电机已经旋转半圈....后半圈和前面原理一致，这里不再赘述。我们可以简单的把直流无刷电机理解成，就像在一头驴的前面钓一个胡萝卜，这样驴就会一直朝着胡萝卜前进。

那怎么样才能在不同时刻给不同线圈通入准确的电流呢?这就需要电流换向电路了......在这里就不详细介绍了。

两者优缺点对比

直流有刷电机：启动快速、制动及时、调速平稳、控制简单、结构简单、价格便宜。重点是价格便宜!价格便宜!价格便宜!而且它启动电流大，在低速时扭矩(旋转力)大，能带很重的负荷。

但是由于碳刷和换向片之间存在摩擦，所以直流有刷电机容易产生火花、发热、噪音、对外界环境有电磁干扰，而且效率低、寿命短。因为碳刷属于损耗品，容易出故障，而且用一段时间需要更换。

直流无刷电机：由于直流无刷电机省去了碳刷，所以噪音小、无需维护、故障率低、使用寿命长，而且运行时间和电压比较稳定，对于无线电的设备干扰要小。但是它的价格贵!价格贵!价格贵!

电动工具是生活中非常常用的工具，品牌种类非常很多、竞争激烈，大家对价格很敏感。而且电动工具它需要需要带很重的负荷，必须要很大的启动转矩，比如手电钻、冲击钻。否则在钻孔时，电机很容易因为钻头卡住而无法运转。

试想一下，有刷直流电机价格低、启动转矩大、能带重负荷;无刷电机虽然故障率低，寿命长，但是价格贵，启动转矩远不如有刷电机。如果让你选，你会怎么选，我想答案不言而喻。

审核编辑：汤梓红