直流電機的工作原理是什麼?未來的電動車都會用直流電機嗎?

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的。

當然，直流電機在其他領域中也有很多應用。

最典型的就是在汽車上的應用，比如電動車窗，雨刮，還有混合電動車上的驅動電機等。

當然，我們設計上，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用

無刷直流電機在電動車上的應用

直流有刷電機在雨刮系統中的應用

雨刮電機示意圖

那麼，直流電機的工作原理是什麼？

1.直流和交流電機的分類

談到直流，其實這裡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，就是用直流電驅動的電機，而交流電機則是用交流電來驅動的電機。

電機的基本分類

從性能來看，直流和交流的主要區別在於對速度的控制上。

直流電機的速度正比於電壓，而交流電機的速度正比於頻率及磁極數。

直流和交流都可以應用於伺服系統，但是交流電機可以承受更高的電流，所以工業應用中，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構沒有關係，只要有反饋，形成閉環控制，就是伺服系統。

這個反饋可以是基於位置，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，以及我打算以後有機會聊聊的交流伺服電機和感應電機，直驅電機等，都可以作為伺服電機，只要有反饋配置。

當然，更進一步，直流電機又可以分為直流有刷和直流無刷電機。

這裡先上兩張圖，好對這兩種電機有個基本的感知。

有刷直流電機的結構

無刷直流電機的結構

根據勵磁方式的不同，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，產生吸引轉子的磁場。

自勵磁直流電機，根據繞線方式的不同，還可以繼續分為：串聯勵磁電機，並聯勵磁電機和複合勵磁電機（串聯和並聯）。

幾種不同勵磁方式的直流電機

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

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用，也看完了分類。

那麼，接下來可以說說直流電機的工作原理了。

這裡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，負責把外部電流引入轉子線圈。

而轉子是由線圈構成，線圈連接軸端的換相器（Commutator），外部電流通過碳刷和換相器，到達轉子線圈。

當線圈通電，產生磁場，這個磁場被永磁鐵吸引，促使轉子轉動，轉過一定角度後，轉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，保證轉子連續轉動。

有刷電機使用機械換相器，優點是結構簡單，價格低廉，可以提供較高的扭矩，缺點是容易磨損，無法用於潔淨室，而且壽命有限，需要定期維護。

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

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

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別在於，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軸的位置，以此來判斷接下來哪幾相需要通電。

控制系統不停地改變通電相，並改變電流大小，來實現不同扭矩的控制。

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，並且擁有高扭矩重量比，當然，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。

那麼下面，我們再來仔細看一下，控制器是如何通過霍爾傳感器的狀態來改變輸入相的。

無刷直流電機簡化的結構示意圖，端面上有三個霍爾傳感器（Hall Sensor），轉子轉動，形成變化的磁場，傳感器感應這個磁場，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位數的不同組合，這些組合代表轉子的不同位置。注意3號霍爾傳感器在1號和2號之間。

如上圖，轉子是用永磁鐵做成，轉子轉動，3個霍爾傳感器被觸發或者斷開，感應轉子的位置，然後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，簡言之就是實現電子換相（Electrical Commutation）。

所以，這裡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。

那麼，讓我們再具體一點，來看看三個霍爾傳感器是如何感應轉子的位置，然後告訴電機換相併實現連續旋轉的。

三相霍爾傳感器式伺服電機

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S極，而2號和3號霍爾對準N極，如果S極觸發霍爾，N極熄滅霍爾，那麼上圖霍爾狀態可以表示100位置。

我們再來看看更細節的情況，如下圖。

使電機順時針轉動：霍爾狀態和線圈通電次序的關係，轉子上S極附近有個小黑點，用來表示轉子的轉動方向。

驅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生北極磁場N，電流流出的線圈則在定子上產生南極磁場S。

現在，想要實現順時針旋轉，如何使用霍爾狀態，來切換線圈通電次序和通電方向？

舉例說明吧，比如霍爾感應是100狀態，也就是上面的第一張圖時，那麼這個時候告訴驅動器接通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極和與其正對的轉子N極相互排斥，並且吸引和它較近的轉子S極，而線圈S極，則吸引轉子N極，實現順時針轉動。

同理，可以推導其他霍爾狀態時，線圈應該如何通電。

最後就形成如上圖所示的6個霍爾狀態，以及在此狀態下線圈應該從哪個線圈流入，從哪個線圈流出的順序圖。

上面這個圖理解起來有點兒複雜。

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，這個理解起來要輕鬆一點。

基於霍爾狀態，來進行電子換相，實現順時針旋轉

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。

現在，我們回到標題中的問題，未來的電動車都會用直流電機嗎？

純電動車布局

純電動車使用感應電機驅動和制動

其實現在，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電機主宰（關於感應電機，以後有機會我們再聊，今天就不喧賓奪主了）。

感應電機在純電動車上的普及使用，還是有它的優勢的。

第一，感應電機的效率>=直流電機。

感應電機在與智能逆變器一起使用時，可以優化磁損耗和傳導損耗，從而優化效率。

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。使用感應電機，隨著機器尺寸的增加，損耗不一定會增加。

儘管感應電機峰值效率略低於無刷直流電機，但平均效率實際上可能更好。

第二，成本方面，感應電機優於無刷直流電機。

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

感應電機的磁場可調，雖然需要逆變器和更複雜的控制，但是成本似乎更低。

那麼未來的情況呢？

這很難說，看科技的發展吧。

如果我可以預測未來，那該多好！

你說呢？