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直流电机——有刷电机

读过中学物理的学霸学渣都知道，为了研究通电导体在磁场受力的那点事，我们把左手都练成了断掌，这也正是直流电机的原理。

所有电机都是由定子和转子组成，在直流电机中，为了让转子转起来，需要不断改变电流方向，否则转子只能转半圈，这点就像自行车脚踏板。所以直流电机需要换向器。

广义的直流电机包括有刷电机和无刷电机。

有刷电机又称直流电机或碳刷电机，常说的直流电机就是指有刷直流电机，它采用机械换向，外部磁极不动内部线圈(电枢)动，换向器和转子线圈一起旋转，电刷和磁铁都不动，于是换向器和电刷摩擦摩擦，完成电流方向的切换。

有刷电机缺点：

1、机械换向产生的火花引起换向器和电刷摩擦、电磁干扰、噪声大、寿命短。

2、可靠性差、故障多，需要经常维护。

3、由于换向器存在，限制了转子惯量，限制了Zui高转速，影响了动态性能。

既然它这么多缺点为什么还被普遍应用，因为它扭力高、结构简单容易维护（即换碳刷）、便宜。

直流电机——无刷电机

无刷电机在某些领域也称直流变频电机（BLDC），它采用电子换向（霍尔传感器），线圈(电枢)不动磁极动，此时永磁铁可以在线圈外部也可以在线圈内部，于是有了外转子无刷电机和内转子无刷电机之分。

无刷电机构造与永磁同步电机相同。

不过，单个的无刷电机不是一套完整的动力系统，无刷基本必须通过无刷控制器也就是电调的控制才能实现连续不断的运转。

真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器（也就是电调）。

一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是方波，另一种是正弦波。

以下内容来自知乎作者潘韫哲对直流无刷与永磁同步电机的理解，老宇哥看着不错，分享给大家：

本人见过太多太多关于直流无刷和永磁同步电机的误解了，今天我就要在这里把这个问题在中文世界给盖棺定论了。如果以后再有人争论BLDC和PMSM是什么东西有什么区别，请直接以我为准。保证准确无误。

直流无刷电机，英语叫BLDC motor（brushless direct current motor）

永磁同步电机，英语叫PMSM（permenant magnet synchronous motor）

直流无刷电机这一名词的由来

首先说直流无刷电机。为什么叫直流无刷？这得先从有刷电机说起。历史上，包括现在依然有一些电机，采用的是电刷(brush)来换相，也就是直流有刷电机。

电机要转，电机绕组必须通过交变的电流，而且要使得定子的磁场永远是超前转子的磁场一步的。如果不超前，定子和转子的磁场对齐了，转子就转不动了，那么就没有扭矩产生了。那么如果你想在供电上省事，直接用直流电，那你就得有一个机械的换相器。（为什么要直流电？因为电池供电的话就是直流电，所以有刷电机曾经广泛运用于电动工具。更重要的是，记得交流电发明之前是电网是通过直流电输电的吗？当时，19世纪早期的时候，大多用的就是这种有刷电机来发电或者发动）这个电刷就是机械的换向器，电刷可以保证电机绕组中通过的永远是交变的电流。

但电刷有很多恶心的问题，首先现代的电刷一般是石墨做的，和铅笔有点像，磨着磨着就有小灰尘，甚至磨到后面直接磨没了就没法用了，那这灰尘即限制了电机的应用场景得是能耐粉尘的，又严重限制了电机的寿命。而且，一个在那摩擦的东西，转速一高必然发热严重，所以转速也没法高。可见，有刷电机的存在，主要就是为了解决供电是直流电的问题。如果你有交流电供电，谁犯得着使用这个制造又复杂，寿命又差的有刷电机呢？（当然也有一些特定的场景不仅仅是因为直流才使用有刷的，这是题外话，这种场景很少见，可以忽略不计）

后来大家也就都知道了，因为电子元器件的发展，电子元器件价格变得很低了，和超强永磁体（也就是钕铁硼稀土永磁体）的普及，直流无刷电机问世并开始流行了。为什么要强调直流和无刷，因为他存在的目的就是为了取代（直流）有刷电机。我供电也是直流啊，但wokao电子元器件就可以实现电机的换相，而且电子元器件越来越便宜，那我为什么要用有刷呢？所以直流无刷电机逐渐取代了有刷电机，即使现在已经有刷电机已经越来越少，但是直流无刷这个曾经强调自己身份的名字还是流传了下来。

永磁同步电机名字的由来

要说永磁同步电机，也不能先说永磁同步电机，要先说感应电机，又称异步电机。

感应电机又称异步电机，是尼古拉斯·特斯拉在1887年发明的。其实感应电机的工作原理很复杂，相信电气专业学过电机课的同学都能懂，具体我就不对感应电机多作解释了。感应电机有两点比较重要的性质，那就是第一，感应电机没有励磁部分，即：他转子的磁场不是通过接外接电源通电或者永磁体产生的，而是靠定子磁场的感应电流产生的；第二，异步电机顾名思义，它具有异步性，即定子的磁场旋转速度和转子的旋转速度不一致，存在着速度差，而这个速度差越大，感应电机的扭矩也就越大。

为什么感应电机这个东西在工业中广泛运用呢？因为它使用起来实在是太方便了。正常工厂里电网都会有三相电，电网的三根火线往感应电机上线一接，电机就能转了，而且还可以根据负载大小自动调节转速，什么电气控制电路都不需要，而且皮实，稳定，耐操，只要轴承不坏，绝缘不出问题，感应电机用几万个小时很轻松。对于大部分只要能转就行的场合，是再合适不过了。但另一方面，因为接上电就能用的东西，速度和扭矩完全就是看负载的，可操控性是很差的，如果要让电机转到固定的某个位置，或者走某个轨迹，那更加是不可能的。（当然，我是说只接工频交流电的时候，如果电的输入是你自己控制的，那其实还是可以实现的，比如特斯拉电动车里的感应电机）

那对于一些要求高的场合怎么办？具体来说，我希望能控制电机的速度，电机的扭矩，电机的位置，怎么办？因此同步电机出现了。为啥叫同步电机？因为转子有励磁源，转子的磁场和转子的位置是固定的，那定子磁场只要超前转子磁场一点，转子就转起来了，那定子磁场永远相对于转子磁场，永远超前不多不少，就那么一点，它俩相对位置不变，转子和定子的磁场是同周期同步运行的，所以叫同步电机。那这样我们只要控制定子的磁场，那就想怎么控制就怎么控制。

那刚刚说了，转子磁场的励磁，也就是转子磁场的来源，可以是像电磁铁一样，通过通电实现的，也可以是通过永磁体实现的，那么用永磁体实现的就叫永磁同步电机了。为啥要用永磁体？Zui大的原因那当然是因为方便。你想想如果一个东西又要转，又提供一个相对自身（即相对于转子自身）不变的磁场，除了永磁体之外还有什么办法？而且以钕铁硼为代表的永磁体能量密度大，可以实现更高的扭矩。如果要通过通电，就算可以实现，能量密度低不说，通电产生大量浪费的焦耳热也是问题。

所以永磁同步电机，重点就是用了永磁，以及区别于感应电机（也就是异步电机），要强调同步性。为啥要强调同步性？因为异步电机比同步电机早普及。异步电机插上交流电就能用（那交流电哪里来？没错就靠异步电机反向输出就行了！），而同步电机还是得靠芯片等电子元器件来实现同步，人家18xx年上哪里去搞芯片去？

那直流无刷电机和永磁同步电机有啥区别？

实际上，无刷直流电机和永磁同步电机，从Zui基本的定义上，压根就难以放在一起讨论。无刷直流强调的是电机的供电源和电子换相，而永磁同步强调的是同步性和永磁励磁。一个讲电源，一个讲电机本身的固有属性。

就像你问，黑色的汽车和SUV汽车有啥区别？是不是有点像在讨论白马非马？

真的吗？

现实往往比想象中复杂。在我们实际工业界中，有一些不成文的规矩。

我们刚刚说了，直流有刷电机通过电刷换相，而电机转子上的换向器的某一个触电和电刷只有两种可能，那就是接触和不接触，所以只存在0和1的区别。那电机的绕组两端就会是开开关关的方波状态。

那直流无刷是为了取代有刷电机的，那自然而然地，把这个特性也保留了下来。直流无刷电机的控制器也就是简单的0和1的区别，开开关关就行了。那为了Zui大化利方波控制器的特性，电机的转子会设计成方波磁场的，那自然而然地会使用径向距离相等的磁铁。也就是等厚磁铁。那么电机的反电动势会趋于梯形波。（当然，完美的方波磁场和梯形波反电动势当然是不可能的，实际上磁场会发生一定程度的扭曲。而且，也不是有了等厚的磁铁就一定意味着方波磁场。磁场的形状是很复杂的，还受别的设计因素影响。）

那同理，永磁同步电机一般是为了区别于异步电机，而驱动异步电机的可是三相交流电，而三相交流电是比较完美的正弦波，那我们驱动永磁同步电机也一般会用正弦波去驱动，那么为了Zui大化正弦波的利用效率，电机磁场也会被设计为正弦波磁场，而反电动势也随之具有正弦性。所以，你会看到，有些PMSM磁铁采用不等厚的花瓣形，目的就是为了产生正弦性好的磁场。

那方波和正弦波磁场的电机有啥区别？

正弦波磁场的电机更适合伺服控制。正弦函数多妙啊，微分方程里的万精油，分析处理都简单，搞控制的看到正弦波信，睡觉都能笑醒。

对应的，方波电机没有正弦性好的电机做伺服控制了，因为方波的傅里叶变换当中有很多谐波分量，而谐波在很多场景下都是我们不想要的。当然，方波也不是不能做伺服，也可以做，要求不高的场景用用问题不大（而大部分应用场景也确实要求不高）。

而正弦波电机是真的可以做到很高程度的正弦性，总谐波失真（THD）不到1%。搞信号分析的可能觉得THD1%不算什么，但对于磁场这种难以捉摸的东西来说，精度已经很高了。但方波电机却很难做到真正的方波，因为磁铁是会有漏磁的，磁一漏，好好的方波就没了，而是在方波的两个尖角处形成圆弧，像吐司面包的形状。

当然方波电机也不是没有优点，用样的电流，方波电机理论上扭矩会大一些，毕竟那些谐波磁场也是可以参与产生扭矩的。

当然，所谓BLDC是方波，PMSM是正弦波，也就只是不成文的规矩。遵守不遵守完全看厂家的心情。在学术界发，这两个词如果用了，那基本上就是按字面的定义意思。毕竟我硬是拿着方波永磁磁场的电机说这是PMSM你也不能说我说错了，因为它确实是同步电机，也是确实有永磁。而我拿着正弦波电机说这是BLDC也不能说我错，只要我用的是直流电源+逆变驱动电机。

以上内容来自知乎作者潘韫哲对直流无刷与永磁同步电机的理解

无刷电机的运转方式不同，有可以分为内转子无刷电机和外转子无刷电机。

内转子都是三相的 ，价格较贵。

外转子通常使用的是单相的，价格亲民，大批量生产已经接近碳刷电机，因此近年来得到广泛应用。

外转子三相的价格已经接近内转子的价格。 

嗯，猜都能猜到，有刷电机的缺点就是无刷电机的有点。

它具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速（可达很高转速）等优点，它相对比有刷直流电机体积小的多，控制比异步交流电机简单，启动转矩大过载能力强，至于缺点嘛……就是比有刷的贵、不好维护。