什么是有刷电机？它是如何工作的？

电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换向器和电刷来完成的。在电动车行业有刷电机分高速有刷电机和低速有刷电机。

好的，我们来详细解释一下什么是有刷电机以及它是如何工作的。

什么是有刷电机？

有刷电机（Brushed DC Motor）是一种直流电动机，它的核心特征在于使用物理的电刷（通常是碳刷）和机械的换向器（由铜片组成） 来改变转子线圈中的电流方向。正因为其使用电刷进行换向操作，所以才被称为“有刷”电机。

核心部件

定子： 电机的固定部分。通常由永磁体（如钕磁铁、铁氧体磁铁）或者励磁绕组产生一个固定的磁场（静磁场）。
转子： 电机的旋转部分。由铁芯和缠绕在铁芯上的线圈绕组（电枢绕组）构成。它是电流流经并产生电磁力的地方。
换向器： 安装在转子轴上随转子一起旋转的圆柱形部件。它由多个相互绝缘的铜质换向片组成。
电刷： 固定在电机壳体上、静止不动的导电部件（通常是石墨碳刷）。它们压在旋转的换向器表面，负责将外部电源的电流导入旋转的转子线圈。电刷具有弹性，能在换向器旋转时始终保持接触。

有刷电机是如何工作的？

有刷电机工作的基本原理是电磁力（洛伦兹力）：载流导线在磁场中会受到力的作用。

详细工作流程

供电： 外部直流电源（如电池）通过正负两个电刷连接到换向器上。
电流导通： 当电刷接触到换向器上的某个铜片时，直流电流会从电刷流入与之接触的铜片，然后流入连接到该铜片的转子线圈绕组中。
产生电磁场： 电流流过转子线圈，在线圈周围产生一个磁场，这就是转子的电磁场。
磁场相互作用产生力： 转子的电磁场与定子的固定磁场相互作用。异性磁极相吸，同性磁极相斥，这种电磁吸引力或排斥力作用在转子上，推动转子开始旋转。力的方向遵循左手定则。
旋转与换向： 关键步骤来了！当转子旋转过半圈后（通常是转到一个中性位置），换向器随之旋转，导致电刷接触的换向片发生变化。电刷此时接通了另一个（或另一组）线圈对应的换向片。
电流方向改变： 因为电刷连接的是正负极固定的电源，连接到新的线圈也就意味着流经这个新通电线圈的电流方向发生了反转！
磁场方向改变，持续推动： 电流方向改变导致该线圈产生的电磁场极性也跟着反转。这时，新的转子磁场与定子磁场之间的相互作用力会继续推动转子沿相同方向旋转下去。
循环往复： 随着转子不停旋转，换向器不断切换连接不同线圈的电刷接触关系（即不断换向），从而周期性改变流经线圈的电流方向，确保每个线圈在定子磁场中受到力的方向总是一致的（与旋转方向一致）。这样就实现了电机的持续单向旋转。

形象比喻

想象你在划船，左右两边各有一把桨。为了持续向前（一个方向），你需要交替划左桨和右桨。换向器和电刷的作用，就像是自动地在一瞬间把划船的动作从左边切换到右边（或者反过来），从而保证船（转子）持续向前（旋转）运动。

总结一下工作原理的关键点

直流电源通过电刷和换向器将电流输入到转子线圈。
转子线圈产生变化的电磁场。
变化的转子磁场与定子的固定磁场相互作用产生电磁力（扭矩）。
当转子旋转时，换向器自动切换连接不同线圈的电流通路。
换向使得流经线圈的电流方向周期性反转。
电流方向的反转保证了转子线圈在磁场中所受的力始终是推动其朝一个固定方向旋转的。

有刷电机的优缺点

优点:
- 结构简单，成本低。
- 控制简单： 只需调节直流电压（或电流）就能控制转速。
- 启动扭矩大： 启动时就能提供很高的扭矩。
- 易于维护： 虽然需要维护，但结构简单使维护相对直接（主要就是换电刷）。
缺点:
- 电刷磨损： 电刷与旋转的换向器之间存在物理摩擦，电刷会逐渐磨损，需要定期更换。
- 寿命有限： 因电刷磨损和换向器磨损（火花烧蚀），寿命通常比无刷电机短。
- 电火花干扰： 换向过程中会产生电火花（电弧），可能干扰附近的电子设备（电磁干扰），在易燃易爆环境中不安全。
- 速度上限和效率： 电刷摩擦限制了最大转速，电刷电阻和摩擦也会导致能量损失（效率较低）。
- 噪音和热量： 摩擦和火花会产生噪音和额外热量。

尽管有这些缺点，因为有刷电机价格低廉、原理简单、控制容易，它们至今仍广泛应用在要求不高的场合，如电动玩具、小型家用电器（电钻、风扇、吹风机）、汽车辅助设备（座椅调节、雨刮器）、模型车船、低价电动工具等。但在需要高性能、高效率、长寿命的场合（如电动自行车、无人机、高性能电动工具、风扇），无刷直流电机正逐渐成为主流。