直流电机的工作原理是什么？未来的电动车都会用直流电机吗？

罗罗日记 · 发表于 2020-12-1 21:40:23

说起直流电机，其实我们每个人，每天都在用。

是吗？

别惊讶，是的。

手机，我们每天都在用，有消息或者有电话时，手机就开始振动。

这个振动就是用直流电机来实现的。

当然，直流电机在其他领域中也有很多应用。

最典型的就是在汽车上的应用，比如电动车窗，雨刮，还有混合电动车上的驱动电机等。

当然，我们设计上，有时也用到直流有刷电机，因为控制简单，成本低。

偏心轮式手机振动电机工作示意图

硬币式手机振动电机工作示意图

偏心轮式手机振动电机爆炸图

硬币式和圆柱式手机振动电机爆炸图

直流电机在混合电动车上的应用

无刷直流电机在电动车上的应用

直流有刷电机在雨刮系统中的应用

雨刮电机示意图

那么，直流电机的工作原理是什么？

1.直流和交流电机的分类

谈到直流，其实这里隐藏着电机的一种分类方法。

就是按照工作电流的不同，分为直流电机和交流电机。

直流电机，就是用直流电驱动的电机，而交流电机则是用交流电来驱动的电机。

电机的基本分类

从性能来看，直流和交流的主要区别在于对速度的控制上。

直流电机的速度正比于电压，而交流电机的速度正比于频率及磁极数。

直流和交流都可以应用于伺服系统，但是交流电机可以承受更高的电流，所以工业应用中，常见的伺服电机是交流伺服电机。

所谓伺服，其实和电机的类型和结构没有关系，只要有反馈，形成闭环控制，就是伺服系统。

这个反馈可以是基于位置，速度，扭矩等模式。而电机可以是任何类型的电机，比如步进电机，还有今天要说的直流有刷电机，直流无刷电机，以及我打算以后有机会聊聊的交流伺服电机和感应电机，直驱电机等，都可以作为伺服电机，只要有反馈配置。

当然，更进一步，直流电机又可以分为直流有刷和直流无刷电机。

这里先上两张图，好对这两种电机有个基本的感知。

有刷直流电机的结构

无刷直流电机的结构

根据励磁方式的不同，直流有刷电机，又可以分为单独励磁直流电机，自励磁直流电机和永磁电机。

励磁就是定子线圈通电，产生吸引转子的磁场。

自励磁直流电机，根据绕线方式的不同，还可以继续分为：串联励磁电机，并联励磁电机和复合励磁电机（串联和并联）。

几种不同励磁方式的直流电机（图片未上传，因为数量已达到上限）

几种直流电机的速度扭矩曲线图，只有永磁式直流电机是一条直线（图片未上传，因为数量已达到上限）

2.有刷直流电机的工作原理

好了，上面我们了解了直流电机的应用，也看完了分类。

那么，接下来可以说说直流电机的工作原理了。

这里先从最简单的有刷电机说起。

这个很简单，上两张动画一看就明白了。

有刷直流电机工作示意图

直流有刷电机（Brushed DC Motor），定子是用永磁铁或者线圈做成，以形成固定磁场。

在定子一端上有固定碳刷，或者铜刷，负责把外部电流引入转子线圈。

而转子是由线圈构成，线圈连接轴端的换相器（Commutator），外部电流通过碳刷和换相器，到达转子线圈。

当线圈通电，产生磁场，这个磁场被永磁铁吸引，促使转子转动，转过一定角度后，转子线圈通过机械换相器和碳刷改变电流方向，从而改变磁场方向，保证转子连续转动。

有刷电机使用机械换相器，优点是结构简单，价格低廉，可以提供较高的扭矩，缺点是容易磨损，无法用于洁净室，而且寿命有限，需要定期维护。

3.无刷直流电机的工作原理

我们再来看看无刷直流电机的工作原理。

还是先上一张动画，先有个感知。

无刷直流电机工作示意图

大多数无刷直流电机（Brushless DC Motor=BLDC），定子都是线圈组，而转子则是磁铁组。

所以不需要用刷子把电流引到定子上，这就是无刷的来历。

其运动原理也是磁场相吸，或者磁场互斥。

无刷直流电机和有刷直流电机的主要区别在于，无刷电机电流的大小和方向是直接通过控制器来改变的。

通常，定子有三组绕线，和控制电路相连，控制电路通过霍尔传感器得知转轴的位置，以此来判断接下来哪几相需要通电。

控制系统不停地改变通电相，并改变电流大小，来实现不同扭矩的控制。

正因为无刷电机是通过电子换相，所以可靠性更高，运行更安静，效率也更高。

通常无刷电机可以做得很小，并且拥有高扭矩重量比，当然，因为需要使用传感器和控制器，成本也随之升高。

OK，上面我们粗略地了解了一下无刷直流电机。

那么下面，我们再来仔细看一下，控制器是如何通过霍尔传感器的状态来改变输入相的。

无刷直流电机简化的结构示意图，端面上有三个霍尔传感器（Hall Sensor），转子转动，形成变化的磁场，传感器感应这个磁场，每个传感器可以输出0或者1，所以3个传感器可以输出110，101等3位数的不同组合，这些组合代表转子的不同位置。注意3号霍尔传感器在1号和2号之间。

如上图，转子是用永磁铁做成，转子转动，3个霍尔传感器被触发或者断开，感应转子的位置，然后把位置信息告诉控制器，控制器以此来决定下一步哪些线圈通电，哪些不通电，简言之就是实现电子换相（Electrical Commutation）。

所以，这里的霍尔传感器起到沟通的作用，而这一点在有刷直流电机中，是用物理碳刷和机械换相器相互配合才得以实现。

那么，让我们再具体一点，来看看三个霍尔传感器是如何感应转子的位置，然后告诉电机换相并实现连续旋转的。

三相霍尔传感器式伺服电机（图片未上传，因为数量已达到上限）

如上图，一个磁极可以同时覆盖两个霍尔传感器，图中时刻，1号霍尔对准S极，而2号和3号霍尔对准N极，如果S极触发霍尔，N极熄灭霍尔，那么上图霍尔状态可以表示100位置。

我们再来看看更细节的情况，如下图。

使电机顺时针转动：霍尔状态和线圈通电次序的关系，转子上S极附近有个小黑点，用来表示转子的转动方向。

驱动器一次给两组线圈通电，另一组线圈不通电。

按照惯例，电流流入的线圈在定子上产生北极磁场N，电流流出的线圈则在定子上产生南极磁场S。

现在，想要实现顺时针旋转，如何使用霍尔状态，来切换线圈通电次序和通电方向？

举例说明吧，比如霍尔感应是100状态，也就是上面的第一张图时，那么这个时候告诉驱动器接通AB相，且电流从B相流入，A相流出。这样B线圈组形成N极，A线圈组形成S极。线圈N极和与其正对的转子N极相互排斥，并且吸引和它较近的转子S极，而线圈S极，则吸引转子N极，实现顺时针转动。

同理，可以推导其他霍尔状态时，线圈应该如何通电。

最后就形成如上图所示的6个霍尔状态，以及在此状态下线圈应该从哪个线圈流入，从哪个线圈流出的顺序图。

上面这个图理解起来有点儿复杂。

如果把霍尔时序和绕组通电顺序及方向，画在一张图上，就是下面这幅图，这个理解起来要轻松一点。

基于霍尔状态，来进行电子换相，实现顺时针旋转（图片未上传，因为数量已达到上限）

理解了这两幅图，也就理解了无刷直流电机的工作原理，甚至是伺服电机的工作原理。

4.未来电动车都会用直流电机吗？

好了，上面的原理部分，我们可以找时间慢慢弄懂。

现在，我们回到标题中的问题，未来的电动车都会用直流电机吗？

纯电动车布局（图片未上传，因为数量已达到上限）

纯电动车使用感应电机驱动和制动（图片未上传，因为数量已达到上限）

其实现在，混合电动车还是被无刷直流电机主宰，而纯电动车则被感应电机主宰（关于感应电机，以后有机会我们再聊，今天就不喧宾夺主了）。

感应电机在纯电动车上的普及使用，还是有它的优势的。

第一，感应电机的效率>=直流电机。

感应电机在与智能逆变器一起使用时，可以优化磁损耗和传导损耗，从而优化效率。

使用无刷直流电机时，随着机器尺寸的增加，磁损耗成比例增加，效率下降。使用感应电机，随着机器尺寸的增加，损耗不一定会增加。

尽管感应电机峰值效率略低于无刷直流电机，但平均效率实际上可能更好。

第二，成本方面，感应电机优于无刷直流电机。

永磁体很贵，大约每公斤50美元。另外，永磁（PM）转子也很难处理，因为磁性太强，当任何铁磁靠近它时，都有很强大的吸引力。

感应电机的磁场可调，虽然需要逆变器和更复杂的控制，但是成本似乎更低。

那么未来的情况呢？

这很难说，看科技的发展吧。

如果我可以预测未来，那该多好！

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