有刷无刷、永磁同步、步进、空心杯电机，统统拆开看看有什么不同？

电子工程世界 2023-03-13 07:30

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电机大分类

电机本来种类就多，命名也比较混乱，怎样理解各种电机之间的区别？下面这些电机，看了是不是有点儿头大，每种都能弄个明白吗？

比如：交流异步，永磁同步，交流感应，磁阻电机，反应式步进，永磁式步进，混合式步进，空心杯，直流有刷，BLDC，PMSM，伺服电机，两相步进，三相步进。

不过弄不明白也不要紧，我们这篇文章的目的是希望大家看完后也不要再纠结这些，而是对电机运转的本质有个更深入的了解。

电机如何转动

电机的花样再多，最终都要归到基本原理，即磁铁的异极相吸，同极相斥。如下图，中间圆形的磁铁和边上方形的磁铁，处于这样的位置时，处于一个不平衡的状态，中间圆形磁铁的 S 极，受到方形磁铁 N 极的吸引，N 极受到方形磁铁 N 极的排斥，从而逆时针转动，直到 S 极和 N 极靠近后静止。

如果我们把方形磁铁沿虚线平转一圈，那么圆形磁铁也会跟着转一圈。电机的关键，就是如何产生两个互相吸引的部分，在吸引力的作用下产生转动，转动的部分我们称之为转子，转子靠吸引转动后会达到平衡，如果想要转子连续转动，就需要在一个新位置对它产生吸引。

还有另外一种电机，不是靠磁极之间的吸引，而是凭借另一个特性，即磁力线总是通过磁阻最小的路径。就像电流总是寻找最小的电阻通路。如下图右侧所示，转子长轴与磁力线在一个方向上，在这种状态下磁力线所受磁阻最小。如果像左图中的样子，转子转动一个角度，磁力线的路径将会变长，磁阻变大了。这时磁力线会对转子产生扭矩，推动它回到原来磁阻最小的位置。

电机不转动的部分叫定子，转动的部分叫转子。转子在内，定子在外的叫内转子，也可以反过来转子在外部，中间部分做定子。定子和转子的磁场都可以由电流通过励磁线圈产生，也可以一个由电流产生，另一个用永磁体。

我们再聊一下同步和异步。应用历史比较长的一种电机是交流感应电动机。三相交流电在这种电机的定子中励磁，合成的磁场是一个以交流电频率变化的旋转磁场，在静止状态下的鼠笼转子开始切割磁力线而形成电流，电流反过来产生磁场，与定子磁场相互作用而开始转动。但是转子的速度总会落后于定子中磁场的旋转速度，因为一旦两者速度相同，定子就不再切割磁力线，也就失去了动力。转子和定子总存在一定速度差，不是同步转动，所以称作异步电动机。

如果转子用永磁体，或用励磁电流产生磁场，那么它可以跟随定子磁场的旋转一起转动，称为同步电机。现在应用较多的永磁同步电机 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)即为一种同步电机。注意这里同步不是指转子的转速和定子磁场旋转速度同步，因为转子转速和它有几对磁极有关系。如果是一对磁极，那么转子的转速与定子磁场旋转速度相等。如果定子有两对磁极，那么它的转速是定子磁场旋转速度的一半。

常见直流电机

在嵌入式领域，用的大多数都是直流电机。我们拆解一些常用的来点直观的感受。

直流有刷电机，Brushed DC Motor。定子是永磁铁，转子是线圈，通电后线圈在磁场作用下转动，当转过一定角度后，通电的电极发生切换，转子在新的通电线圈作用力下继续转动。它的控制非常简单，通上直流电就转，通电极性互换后，转动方向也反转，转速随电压大小变化。

在下图中我们会看到一个叫碳刷的东西，它一端接在电源正负极，另一端压在换向器上。换向器随着转子转动，完成通电线圈的切换。碳刷的缺点就是会产生噪声，火花，有磨损，寿命短。所以现在的趋势是用电子换相取代这种机械换相，也就是无刷电机 BLDC(Brushless DC Motor)。

再看一个电极数比较多的直流电机，这是我们在另一篇讲豆浆机的原理的文章中提到过的电机，虽然豆浆机是 220 交流供电，但里面用的这个电机却是直流电机。220V 交流经过整流后变为直流电，直接通过碳刷加到电机的线圈上，它的电极数多，所以扭矩也大。

空心杯电机，它属于直流有刷电机。它的转子没有铁芯，所以转动惯量小，响应快。它的体积可以做的很小，广泛用于飞行器，调焦，仪器仪表等。下图是个 716 空心杯，即直径 7mm，长度 16mm。

步进电机，下图为一个两相混合步进电机。可以看到一共有 8 个绕组，分为 A，B 两相，1 3 5 7 为一相，2 4 6 8 为一相。定子和转子上均匀分布这很多小齿，他就是靠 A B 相通电时，定子和转子上不同极性的小齿交错对齐，驱动转子转动。它的控制也很简单，A B 相交替通电脉冲，就可以一步一步驱动转子转动，步进角为 1.8°。

直流无刷(BLDC)和永磁同步(PMSM)

一般我们约定俗成，把用霍尔传感器测定转子位置，反电动势为梯形波，用六步换相控制的电机叫直流无刷。把用编码器测转子位置，反电动势为正弦波，用矢量控制(FOC)的电机叫永磁同步。其实很多 BLDC 的反电动势也不是标准的方波，而是接近正弦波，也可以用矢量控制。同样的，永磁同步也可以用六步换相控制。而且永磁同步也是用直流供电，肯定也是无刷的。

采用矢量控制的永磁同步电机转矩脉动很小，转动平稳，在低速下也能输出大力矩。而直流无刷电机控制简单，成本更低。下图为一个带有磁编码器的永磁同步电机。更高端一些的电机大多采用光电编码器，可以以更高的精度输出转子的位置，从而控制器可以更精确的控制转子的转动。