直流電機的工作原理是什么,？未來的電動車都會用直流電機嗎,？

羅羅日記

說起直流電機,，其實我們每個人,，每天都在用,。

是嗎,？

別驚訝，是的,。

手機,，我們每天都在用，有消息或者有電話時,，手機就開始振動,。

這個振動就是用直流電機來實現(xiàn)的。

當(dāng)然,，直流電機在其他領(lǐng)域中也有很多應(yīng)用,。

最典型的就是在汽車上的應(yīng)用，比如電動車窗,，雨刮,，還有混合電動車上的驅(qū)動電機等。

當(dāng)然,，我們設(shè)計上,，有時也用到直流有刷電機，因為控制簡單,，成本低,。

偏心輪式手機振動電機工作示意圖

硬幣式手機振動電機工作示意圖

偏心輪式手機振動電機爆炸圖

硬幣式和圓柱式手機振動電機爆炸圖

直流電機在混合電動車上的應(yīng)用

無刷直流電機在電動車上的應(yīng)用

直流有刷電機在雨刮系統(tǒng)中的應(yīng)用

雨刮電機示意圖

那么，直流電機的工作原理是什么,？

1.直流和交流電機的分類

談到直流,，其實這里隱藏著電機的一種分類方法,。

就是按照工作電流的不同，分為直流電機和交流電機,。

直流電機,，就是用直流電驅(qū)動的電機，而交流電機則是用交流電來驅(qū)動的電機,。

電機的基本分類

從性能來看,，直流和交流的主要區(qū)別在于對速度的控制上。

直流電機的速度正比于電壓,，而交流電機的速度正比于頻率及磁極數(shù),。

直流和交流都可以應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，但是交流電機可以承受更高的電流,，所以工業(yè)應(yīng)用中,，常見的伺服電機是交流伺服電機。

所謂伺服,，其實和電機的類型和結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系,，只要有反饋，形成閉環(huán)控制,，就是伺服系統(tǒng),。

這個反饋可以是基于位置，速度,，扭矩等模式,。而電機可以是任何類型的電機，比如步進(jìn)電機,，還有今天要說的直流有刷電機,，直流無刷電機，以及我打算以后有機會聊聊的交流伺服電機和感應(yīng)電機,，直驅(qū)電機等,，都可以作為伺服電機，只要有反饋配置,。

當(dāng)然,，更進(jìn)一步,，直流電機又可以分為直流有刷和直流無刷電機,。

這里先上兩張圖，好對這兩種電機有個基本的感知,。

有刷直流電機的結(jié)構(gòu)

無刷直流電機的結(jié)構(gòu)

  

根據(jù)勵磁方式的不同,，直流有刷電機，又可以分為單獨勵磁直流電機,，自勵磁直流電機和永磁電機,。

勵磁就是定子線圈通電,，產(chǎn)生吸引轉(zhuǎn)子的磁場。

自勵磁直流電機,，根據(jù)繞線方式的不同,，還可以繼續(xù)分為：串聯(lián)勵磁電機，并聯(lián)勵磁電機和復(fù)合勵磁電機（串聯(lián)和并聯(lián)）,。

幾種不同勵磁方式的直流電機（圖片未上傳,，因為數(shù)量已達(dá)到上限）

幾種直流電機的速度扭矩曲線圖，只有永磁式直流電機是一條直線（圖片未上傳,，因為數(shù)量已達(dá)到上限）

2.有刷直流電機的工作原理

好了,，上面我們了解了直流電機的應(yīng)用，也看完了分類,。

那么,，接下來可以說說直流電機的工作原理了。

這里先從最簡單的有刷電機說起,。

這個很簡單,，上兩張動畫一看就明白了。

有刷直流電機工作示意圖

直流有刷電機（Brushed DC Motor）,，定子是用永磁鐵或者線圈做成,，以形成固定磁場。

在定子一端上有固定碳刷,，或者銅刷,，負(fù)責(zé)把外部電流引入轉(zhuǎn)子線圈。

而轉(zhuǎn)子是由線圈構(gòu)成,，線圈連接軸端的換相器（Commutator）,，外部電流通過碳刷和換相器，到達(dá)轉(zhuǎn)子線圈,。

當(dāng)線圈通電,，產(chǎn)生磁場，這個磁場被永磁鐵吸引,，促使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,，轉(zhuǎn)過一定角度后，轉(zhuǎn)子線圈通過機械換相器和碳刷改變電流方向,，從而改變磁場方向,，保證轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動。

有刷電機使用機械換相器,，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,，價格低廉，可以提供較高的扭矩,，缺點是容易磨損,，無法用于潔凈室,，而且壽命有限，需要定期維護(hù),。

3.無刷直流電機的工作原理

我們再來看看無刷直流電機的工作原理,。

還是先上一張動畫，先有個感知,。

無刷直流電機工作示意圖

大多數(shù)無刷直流電機（Brushless DC Motor=BLDC）,，定子都是線圈組，而轉(zhuǎn)子則是磁鐵組,。

所以不需要用刷子把電流引到定子上,，這就是無刷的來歷。

其運動原理也是磁場相吸,，或者磁場互斥,。

無刷直流電機和有刷直流電機的主要區(qū)別在于，無刷電機電流的大小和方向是直接通過控制器來改變的,。

通常,，定子有三組繞線，和控制電路相連,，控制電路通過霍爾傳感器得知轉(zhuǎn)軸的位置,，以此來判斷接下來哪幾相需要通電。

控制系統(tǒng)不停地改變通電相,，并改變電流大小,，來實現(xiàn)不同扭矩的控制。

正因為無刷電機是通過電子換相,，所以可靠性更高,，運行更安靜，效率也更高,。

通常無刷電機可以做得很小,，并且擁有高扭矩重量比，當(dāng)然,，因為需要使用傳感器和控制器,，成本也隨之升高。

OK,，上面我們粗略地了解了一下無刷直流電機,。

那么下面，我們再來仔細(xì)看一下,，控制器是如何通過霍爾傳感器的狀態(tài)來改變輸入相的,。

無刷直流電機簡化的結(jié)構(gòu)示意圖，端面上有三個霍爾傳感器（Hall Sensor）,，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,，形成變化的磁場，傳感器感應(yīng)這個磁場,，每個傳感器可以輸出0或者1,，所以3個傳感器可以輸出110，101等3位數(shù)的不同組合,，這些組合代表轉(zhuǎn)子的不同位置,。注意3號霍爾傳感器在1號和2號之間。

如上圖,，轉(zhuǎn)子是用永磁鐵做成,，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，3個霍爾傳感器被觸發(fā)或者斷開,，感應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置,，然后把位置信息告訴控制器，控制器以此來決定下一步哪些線圈通電,，哪些不通電,，簡言之就是實現(xiàn)電子換相（Electrical Commutation）。

所以,，這里的霍爾傳感器起到溝通的作用,，而這一點在有刷直流電機中，是用物理碳刷和機械換相器相互配合才得以實現(xiàn),。

那么,，讓我們再具體一點，來看看三個霍爾傳感器是如何感應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置,，然后告訴電機換相并實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的,。

三相霍爾傳感器式伺服電機（圖片未上傳，因為數(shù)量已達(dá)到上限）

如上圖,，一個磁極可以同時覆蓋兩個霍爾傳感器,，圖中時刻，1號霍爾對準(zhǔn)S極,，而2號和3號霍爾對準(zhǔn)N極,，如果S極觸發(fā)霍爾，N極熄滅霍爾,，那么上圖霍爾狀態(tài)可以表示100位置,。

我們再來看看更細(xì)節(jié)的情況，如下圖,。

使電機順時針轉(zhuǎn)動：霍爾狀態(tài)和線圈通電次序的關(guān)系,，轉(zhuǎn)子上S極附近有個小黑點，用來表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向,。

驅(qū)動器一次給兩組線圈通電,，另一組線圈不通電,。

按照慣例，電流流入的線圈在定子上產(chǎn)生北極磁場N,，電流流出的線圈則在定子上產(chǎn)生南極磁場S,。

現(xiàn)在，想要實現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn),，如何使用霍爾狀態(tài),，來切換線圈通電次序和通電方向？

舉例說明吧,，比如霍爾感應(yīng)是100狀態(tài),，也就是上面的第一張圖時，那么這個時候告訴驅(qū)動器接通AB相,，且電流從B相流入,，A相流出。這樣B線圈組形成N極,，A線圈組形成S極,。線圈N極和與其正對的轉(zhuǎn)子N極相互排斥，并且吸引和它較近的轉(zhuǎn)子S極,，而線圈S極,，則吸引轉(zhuǎn)子N極，實現(xiàn)順時針轉(zhuǎn)動,。

同理,，可以推導(dǎo)其他霍爾狀態(tài)時，線圈應(yīng)該如何通電,。

最后就形成如上圖所示的6個霍爾狀態(tài),，以及在此狀態(tài)下線圈應(yīng)該從哪個線圈流入，從哪個線圈流出的順序圖,。

上面這個圖理解起來有點兒復(fù)雜,。

如果把霍爾時序和繞組通電順序及方向，畫在一張圖上,，就是下面這幅圖,，這個理解起來要輕松一點。

基于霍爾狀態(tài),，來進(jìn)行電子換相,，實現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)（圖片未上傳，因為數(shù)量已達(dá)到上限）

理解了這兩幅圖,，也就理解了無刷直流電機的工作原理,，甚至是伺服電機的工作原理。

4.未來電動車都會用直流電機嗎？

好了,，上面的原理部分,，我們可以找時間慢慢弄懂。

現(xiàn)在,，我們回到標(biāo)題中的問題,，未來的電動車都會用直流電機嗎,？

純電動車布局（圖片未上傳,，因為數(shù)量已達(dá)到上限）

純電動車使用感應(yīng)電機驅(qū)動和制動（圖片未上傳，因為數(shù)量已達(dá)到上限）

其實現(xiàn)在,，混合電動車還是被無刷直流電機主宰,，而純電動車則被感應(yīng)電機主宰（關(guān)于感應(yīng)電機，以后有機會我們再聊,，今天就不喧賓奪主了）,。

感應(yīng)電機在純電動車上的普及使用，還是有它的優(yōu)勢的,。

第一,，感應(yīng)電機的效率>=直流電機。

感應(yīng)電機在與智能逆變器一起使用時,，可以優(yōu)化磁損耗和傳導(dǎo)損耗,，從而優(yōu)化效率。

使用無刷直流電機時,，隨著機器尺寸的增加,，磁損耗成比例增加，效率下降,。使用感應(yīng)電機,，隨著機器尺寸的增加，損耗不一定會增加,。

盡管感應(yīng)電機峰值效率略低于無刷直流電機,，但平均效率實際上可能更好。

第二,，成本方面,，感應(yīng)電機優(yōu)于無刷直流電機。

永磁體很貴,，大約每公斤50美元,。另外，永磁（PM）轉(zhuǎn)子也很難處理,，因為磁性太強,，當(dāng)任何鐵磁靠近它時，都有很強大的吸引力。

感應(yīng)電機的磁場可調(diào),，雖然需要逆變器和更復(fù)雜的控制,，但是成本似乎更低。

那么未來的情況呢,？

這很難說,，看科技的發(fā)展吧。

如果我可以預(yù)測未來,，那該多好,！

你說呢？

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霍爾傳感器的原理是什么,？有哪些應(yīng)用,？有什么優(yōu)缺點？

（本篇未發(fā)布在本論壇,，僅發(fā)布在我公眾號：羅羅日記,，需要了解的，可以關(guān)注并查閱）

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電動車參考觀點：

Induction Versus DC Brushless Motors

https://www.tesla.com/blog/induction-versus-dc-brushless-motors

AC Induction motor. Why?

https://forums.tesla.com/discussion/23036/ac-induction-motor-why

debochina

好東西

wuchsh

好好研究一下

LHCA2020

學(xué)習(xí)了

tsaohuan

又學(xué)習(xí)了一遍電機知識,。

shentu

配的那個霍爾式感應(yīng)圖,，第二張貌似就錯了,，第二張不是應(yīng)該110嗎,？S代表觸通為1，N表示斷開表示為0

羅羅日記

|未來第一站發(fā)表于 12-01 23:00學(xué)習(xí)了,。

感謝老鐵支持

羅羅日記

|debochina發(fā)表于 12-02 08:33好東西

感謝支持

羅羅日記

|wuchsh發(fā)表于 12-02 09:48好好研究一下

感謝支持

羅羅日記

|LHCA2020發(fā)表于 12-02 09:48學(xué)習(xí)了<br>

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