有刷电机与无刷电机：工作原理、关键参数及应用对比

有刷电机与无刷电机：工作原理、关键参数及应用对比

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CSDN

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https://blog.csdn.net/m0_74976404/article/details/138627898

电机是现代工业和日常生活中不可或缺的动力来源，有刷电机和无刷电机作为两种主要的电机类型，各有其特点和应用场景。本文将从工作原理、关键参数和专业术语等多个维度，深入解析这两种电机的异同，帮助读者全面了解电机技术。

一、有刷电机内部原理

在探讨有刷电机的工作原理之前，我们需要先了解一些基础知识，包括电路知识和磁场知识。

电路基础知识

最简单的电路原理图如下所示：电池提供电流，依靠开关的通断点亮灯泡。将电池的极性反转，灯泡也能正常点亮。对电机来说，旋转的方向会发生变化，这一原理将在后续部分详细阐述。

磁场基础知识

磁场的基本原理是同性相斥，异性相吸。这一原理是电机旋转力的来源。通过固定住左边的磁铁，并不断改变右边磁铁的N级和S级方向，可以使固定的磁铁保持持续旋转。

根据法拉第定律，给一个金属线圈通上电流后会产生磁场，磁场的方向可以通过右手螺旋定则来确定。通过不断改变电流的方向，可以实现电磁铁的NS级极性不断变化。当开关断开时，电磁铁的磁性消失，这是永磁铁无法做到的。

为了实现电流方向的不断改变，需要使用一个特殊的装置——电枢。电枢是一个对称的金属圆环，当左右两边的电刷接触到中间缝隙时，就能自动实现电流方向的改变。但是这种结构会导致电机在旋转时不对称。

在最终的结构中，增加了多个线圈，即增加了多个换向缝隙。当电流流过不同的线圈时，对应的平板磁场就能旋转。

二、有刷电机关键参数

直流电机的关键参数主要包括额定电压、额定转速、额定转矩、额定电流、效率、电机电阻和电感以及转矩和转速常数等。详细介绍如下：

1. 额定电压(V)：指电机在正常工作状态下能够持续承受的电压值，标准电压有助于确保电机安全有效地运作。
2. 额定转速(rpm)：即在额定工作条件下，电机的旋转速度。不同的电机设计有不同的额定转速，这通常取决于其用途和设计特点。
3. 额定转矩(N·m)：电机在额定工作条件下能够输出的扭矩值，反映了电机的力矩输出能力。
4. 额定电流(A)：指流过电机的电流在标称条件下不应超过的值，这个参数决定了电机在长期运行时能够承担的电流负载。
5. 效率(%)：反映电机转换能量的效率，即输入电能与输出机械能之间的比值。
6. 电机电阻(Ω)：影响电机发热和功耗的重要参数，与电机绕组的材料有关。
7. 电机电感(H)：影响电机动态特性的一个因素，包括启动性能和运行稳定性。
8. 转矩常数(N·m/A 或 N·m/V)：表示单位电流或电压下电机产生的转矩大小。
9. 转速常数(rpm/V 或 rpm/A)：代表在特定电压或电流下电机的旋转速度。
10. 最大转速(rpm)：电机所能达到的最高转速，某些应用场合需要较宽的调速范围。
11. 最大绕组温度(℃)：指电机在最恶劣工况下的绕组温度限值，超过此温度可能会损坏电机绝缘。

以上这些参数对于选择和使用直流电机至关重要，它们不仅决定了电机的工作性能，还对电机的寿命和可靠性有显著影响。在实际应用中，需要根据具体要求选择合适的电机型号，以确保电机能够在最佳状态下工作。

三、无刷电机内部原理

无刷电机的基本模型示意如下图所示，电机内部有三个线圈，每个线圈的一端都连接起来，另外一端引出到外部，中间有一个具有N/S两极的永磁铁内转子。通过按照一定的顺序给电机通电，转子就可以旋转起来。

无刷电机没有电刷，定子和转子的位置如下图所示：

无刷电机的转子位于外侧，外侧上面固定了两个永磁铁。通过改变123三个线圈的电流，实现相互吸引和排斥，就能使外侧的转子不停地旋转起来。

上图表示的是给两个不同的线圈通电，一个在前面吸引，一个在后面排斥，就能使电机有更高的效率。左边的图会更形象地展示这一过程。

电机是如何知道什么时候给123(ABC)三个线圈通电断电的呢？这可以通过将电机分为有感和无感电机来实现。有感电机通过霍尔传感器检测转子上永磁铁的位置，从而判断定子上永磁铁的位置，进而控制123(abc)三个线圈的通电断电。

四、无刷电机关键参数

无刷电机的关键参数主要包括扭矩、转速和功率。具体介绍如下：

• 扭矩：扭矩是指电机转动力量的大小，反映了电机的负载能力。扭矩越大，电机所能承受的负载也就越大，通常表现电机的性能也越好。在实际应用中，需要考虑应用所需要的最大扭矩，并留有至少20%的余量以应对额外因素，如气隙空气阻力等。
• 转速：转速指的是电机在单位时间内旋转的速度，通常用每分钟转数（rpm）来表示。这个参数决定了无刷电机能够提供多快的运转速度。
• 功率：功率是衡量电机工作能力的一个重要指标，它代表了电机在单位时间内能做多少工。一个电机的功率是由其电压和电流决定的，公式为P=VI，其中P是功率，V是电压，I是电流。

此外，还有一些其他重要参数需要注意：

• 空载电流：这是指在指定电压下，电机无负载工作时的工作电流。了解空载电流有助于评估电机在不承载任何负载时的电能消耗水平。
• KV值：KV值代表的是电机的转速常数，即在特定电压下电机的空转转速。这个参数对于需要精确控制转速的应用来说非常重要。

在选择无刷电机时，除了考虑上述关键性能参数外，还应该根据具体的应用场景和要求来确定合适的电机型号。例如，如果对尺寸有特定要求，那么电机规格就显得尤为重要。像2212或2216这样的数字，通常用来表示无刷电机的定子直径和高度，这对于确保电机能够适配安装空间非常关键。

五、电机专业名词

在电机领域，专业名词是理解其技术特性和工作原理的关键。以下是一些常见的专业术语：

• 电机碳刷：这是电机中用于传输电流到转子的部件，通常由碳或石墨制成，具有良好的导电性和耐磨性。
• 电机参数：指的是描述电机性能和特征的一系列数值，如额定功率、转速、电压、电流等。
• 电机槽宽：指电机定子槽的宽度，与线圈的放置有关，影响电机的性能。
• 电机槽内导体：位于电机定子槽内的线圈或导体，是产生旋转磁场的重要组成部分。
• 电机常数：这是一个综合反映电机性能的参数，包括电机的结构和使用材料等特性。
• 杂散电感：指电机内部非理想电磁耦合产生的额外电感，会影响电机的性能。
• 定子：电机的静止部分，包含绕组和铁芯，用于产生旋转磁场。
• 转子：电机的旋转部分，在磁场中转动，从而将电能转换为机械能。
• 球隙：一种保护装置，用于防止过电压对电机造成损害。
• 电力变压器：用于升高或降低交流电压的设备，对于电力系统至关重要。
• 三相鼠笼感应电动机：一种常见的交流电动机类型，以其结构简单和成本低廉而广泛应用于工业领域。
• 直流电动机：使用直流电作为动力源，将电能转换为机械能的电动机。
• 交流电动机：使用交流电作为动力源，同样将电能转换为机械能的电动机。

了解这些专业名词有助于在研究和选择电机时，更加准确地理解其技术规格和适用性。

六、有刷电机和无刷电机比较