有刷無刷、永磁同步、步進、空心杯電機，統統拆開看看有什么不同？

電子工程世界 2023-03-13 07:30

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電機大分類

電機本來種類就多，命名也比較混亂，怎樣理解各種電機之間的區別？下面這些電機，看了是不是有點兒頭大，每種都能弄個明白嗎？

比如：交流異步，永磁同步，交流感應，磁阻電機，反應式步進，永磁式步進，混合式步進，空心杯，直流有刷，BLDC，PMSM，伺服電機，兩相步進，三相步進。

不過弄不明白也不要緊，我們這篇文章的目的是希望大家看完后也不要再糾結這些，而是對電機運轉的本質有個更深入的了解。

電機如何轉動

電機的花樣再多，最終都要歸到基本原理，即磁鐵的異極相吸，同極相斥。如下圖，中間圓形的磁鐵和邊上方形的磁鐵，處于這樣的位置時，處于一個不平衡的狀態，中間圓形磁鐵的 S 極，受到方形磁鐵 N 極的吸引，N 極受到方形磁鐵 N 極的排斥，從而逆時針轉動，直到 S 極和 N 極靠近后靜止。

如果我們把方形磁鐵沿虛線平轉一圈，那么圓形磁鐵也會跟著轉一圈。電機的關鍵，就是如何產生兩個互相吸引的部分，在吸引力的作用下產生轉動，轉動的部分我們稱之為轉子，轉子靠吸引轉動后會達到平衡，如果想要轉子連續轉動，就需要在一個新位置對它產生吸引。

還有另外一種電機，不是靠磁極之間的吸引，而是憑借另一個特性，即磁力線總是通過磁阻最小的路徑。就像電流總是尋找最小的電阻通路。如下圖右側所示，轉子長軸與磁力線在一個方向上，在這種狀態下磁力線所受磁阻最小。如果像左圖中的樣子，轉子轉動一個角度，磁力線的路徑將會變長，磁阻變大了。這時磁力線會對轉子產生扭矩，推動它回到原來磁阻最小的位置。

電機不轉動的部分叫定子，轉動的部分叫轉子。轉子在內，定子在外的叫內轉子，也可以反過來轉子在外部，中間部分做定子。定子和轉子的磁場都可以由電流通過勵磁線圈產生，也可以一個由電流產生，另一個用永磁體。

我們再聊一下同步和異步。應用歷史比較長的一種電機是交流感應電動機。三相交流電在這種電機的定子中勵磁，合成的磁場是一個以交流電頻率變化的旋轉磁場，在靜止狀態下的鼠籠轉子開始切割磁力線而形成電流，電流反過來產生磁場，與定子磁場相互作用而開始轉動。但是轉子的速度總會落后于定子中磁場的旋轉速度，因為一旦兩者速度相同，定子就不再切割磁力線，也就失去了動力。轉子和定子總存在一定速度差，不是同步轉動，所以稱作異步電動機。

如果轉子用永磁體，或用勵磁電流產生磁場，那么它可以跟隨定子磁場的旋轉一起轉動，稱為同步電機?，F在應用較多的永磁同步電機 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)即為一種同步電機。注意這里同步不是指轉子的轉速和定子磁場旋轉速度同步，因為轉子轉速和它有幾對磁極有關系。如果是一對磁極，那么轉子的轉速與定子磁場旋轉速度相等。如果定子有兩對磁極，那么它的轉速是定子磁場旋轉速度的一半。

常見直流電機

在嵌入式領域，用的大多數都是直流電機。我們拆解一些常用的來點直觀的感受。

直流有刷電機，Brushed DC Motor。定子是永磁鐵，轉子是線圈，通電后線圈在磁場作用下轉動，當轉過一定角度后，通電的電極發生切換，轉子在新的通電線圈作用力下繼續轉動。它的控制非常簡單，通上直流電就轉，通電極性互換后，轉動方向也反轉，轉速隨電壓大小變化。

在下圖中我們會看到一個叫碳刷的東西，它一端接在電源正負極，另一端壓在換向器上。換向器隨著轉子轉動，完成通電線圈的切換。碳刷的缺點就是會產生噪聲，火花，有磨損，壽命短。所以現在的趨勢是用電子換相取代這種機械換相，也就是無刷電機 BLDC(Brushless DC Motor)。

再看一個電極數比較多的直流電機，這是我們在另一篇講豆漿機的原理的文章中提到過的電機，雖然豆漿機是 220 交流供電，但里面用的這個電機卻是直流電機。220V 交流經過整流后變為直流電，直接通過碳刷加到電機的線圈上，它的電極數多，所以扭矩也大。

空心杯電機，它屬于直流有刷電機。它的轉子沒有鐵芯，所以轉動慣量小，響應快。它的體積可以做的很小，廣泛用于飛行器，調焦，儀器儀表等。下圖是個 716 空心杯，即直徑 7mm，長度 16mm。

步進電機，下圖為一個兩相混合步進電機。可以看到一共有 8 個繞組，分為 A，B 兩相，1 3 5 7 為一相，2 4 6 8 為一相。定子和轉子上均勻分布這很多小齒，他就是靠 A B 相通電時，定子和轉子上不同極性的小齒交錯對齊，驅動轉子轉動。它的控制也很簡單，A B 相交替通電脈沖，就可以一步一步驅動轉子轉動，步進角為 1.8°。

直流無刷(BLDC)和永磁同步(PMSM)

一般我們約定俗成，把用霍爾傳感器測定轉子位置，反電動勢為梯形波，用六步換相控制的電機叫直流無刷。把用編碼器測轉子位置，反電動勢為正弦波，用矢量控制(FOC)的電機叫永磁同步。其實很多 BLDC 的反電動勢也不是標準的方波，而是接近正弦波，也可以用矢量控制。同樣的，永磁同步也可以用六步換相控制。而且永磁同步也是用直流供電，肯定也是無刷的。

采用矢量控制的永磁同步電機轉矩脈動很小，轉動平穩，在低速下也能輸出大力矩。而直流無刷電機控制簡單，成本更低。下圖為一個帶有磁編碼器的永磁同步電機。更高端一些的電機大多采用光電編碼器，可以以更高的精度輸出轉子的位置，從而控制器可以更精確的控制轉子的轉動。