有刷直流电机的结构与原理

这是无刷电机技术手册系列的第2部分，它解释了有刷电机的结构和工作原理以供比较。接下来我们将解释无刷电机。

在讲解无刷电机的工作原理之前，我们先介绍一下无刷电机的前身——直流电机的结构和转动原理。DC电机是direct-current motor的简称，顾名思义就是施加直流电压旋转的电机。

有刷直流电机结构与原理

2.1 直流电机结构及转动原理

2.1.1 有刷直流电机结构

直流(有刷)电机的一般结构如图 2.1 所示。

永磁体位于定子内，位于定子中心的是包含绕组的转子。转子包含数个绕组，两端与换向器相连。电流通过与电刷接触的换向器流过绕组。该结构是这样的结构，转子的旋转切换换向器片与电刷接触，并且电流流过的绕组也依次切换，从而继续旋转。

2.1.2 有刷直流电机转动原理

现在，我们将使用图 2.2 中所示的弗莱明左手法则

和图 2.3 中所示的简化模型来解释直流电动机的旋转原理。

使电流流过放置在磁场中的导体会使导体受到力(电磁力)。根据弗莱明左手法则，磁场、电流和电磁力的方向相互正交。这种情况下产生的电磁力与磁场强度、磁导率和电流值成正比。

磁导率μ是表示物质被磁化难易程度的系数，磁场强度H与磁导率μ的乘积称为磁通密度B。

在图 2.3 所示的简化模型中，一对永磁体的北极和南极相互面对。单个线圈绕组位于永磁体之间，该结构允许它绕点划线自由旋转。线圈的两端连接到与电刷接触的换向器。电刷连接到直流电源，电流从正极提供，通过线圈返回

负极。

为了解释电机的旋转原理，我们假设图 2.3 中所示绕组的方向是初始点(0°)。

1、电流i流经电刷和换向器到达磁场内的线圈

。

2、根据弗莱明左手定则，电磁力F在北极侧的导体中向上运动，在南极侧的导体中向下运动，线圈顺时针旋转。

3、当线圈旋转接近90°时，如图2.4所示，换向器与电刷不再接触，电流无法流动。虽然电流可能不流动，但线圈会通过惯性力旋转。

4、当线圈靠惯性力转动时，换向器与电刷再次接触，使电流流动，产生电磁力。当它旋转到图 2.5 所示的 180°位置时，它进入与图 2.3 所示相同的状态。

如上所述，电刷和与其接触的换向片交换位置，从而改变流过线圈的电流方向，从而在线圈中产生沿一个方向移动的电磁力。这允许直流电机继续旋转。改变流过线圈的电流方向的行为称为换向。

提示：电机扭矩

导体中产生的电磁力F、磁通密度B和电流 i 之间存在如下关系。

F = i B l (2.1)

l：导体穿过磁场的长度

另外，假设旋转轴中心到导体的距离为r，因为线圈可以看作是2个导体，所以作用在旋转轴上的力矩T为：

T = 2 F r (2.2)

根据公式(2.1)和公式(2.2)，电机产生的转矩可由下式计算。

T = 2 i B lr

= Kt i (2.3)

Kt：扭矩常数

扭矩常数Kt是电机固有的值。由式(2.3)可知，直流电机的转矩与电流成正比。

2.1.3 有刷直流电机特性

直流电机的速度-转矩特性如图 2.6 所示。在无负载状态(轴上没有负载)下达到最高速度，并且随着负载扭矩的增加，转速

降低。当电机转速为零时(轴处于固定状态)，

产生失速转矩。

这种向右下倾斜的特性称为倾斜特性。在实际使用直流电机时

，这种特性会导致在负载扭矩和电机输出扭矩处于平衡状态时发生旋转。例如，如果以电压V1施加负载转矩TL，则转速为N1。

另外，如式(2.3)所示，产生的转矩与电流成正比。因此，随着外加电压从V1→V2→V3的增加，电机电流增加，速度-转矩特性发生变化。如果施加的电压从 V1 变为 V2 再到 V3，在恒定的负载转矩 TL 下，转速将从 N1 变为 N2 然后变为 N3。如果外加电压为V1，负载转矩从T1增加到T2或T3，电机将停止，但如果外加电压从V1变为V2或V3，电机产生的转矩变为T2或T3，为此原因是电机可以在 Ns 的恒定转速下运行。

2.1.4 有刷直流电机特点

有刷直流电动机的特点如下所示。

优点

有 2 根导线，施加直流电压即可旋转。

反转电源的极性会反转旋转方向。

由于使用了永磁体，直流电机结构紧凑、重量轻且效率高。

起动力矩大，可控性好。

扭矩与电压(电流)成正比。

可以用干电池和电池操作。

低成本

缺点

电刷磨损会缩短使用寿命。

产生机械噪音。

产生电噪声。

由于直流电机只需连接直流电源即可运行，因此可用于多种应用。然而，由于电刷与换向器相互滑动会导致电刷磨损，因此需要对磨损粉进行清理、更换电刷等定期维护。随着电机使用数量的增加，维护变得越来越困难，这就增加了对长寿命免维护电机的需求。

在本技术手册-无刷电机系列的下一部分，我们将解释无刷电机的结构和原理，并与有刷电机进行比较。请订阅此博客以收到未来帖子的通知!

审核编辑：汤梓红