“电机认识”的版本间的差异

2019年5月31日 (五) 15:03的最后版本

有刷电机，无刷电机

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我们常用的发动机是直流电机（马达），直流电机可以分有刷电机和无刷电机。

1.有刷直流电机

我们小时候很常见的大多是有刷电机。有刷电机最基本的组成部分除了定子（不转动的部分，固定着的）、转子（转动的部分，通过轴把动力输出）、电刷，有刷电机的名字因此而来。

看图知道，有刷电机的线圈部分是转动的，为了保证转的过程中线圈能导电和换向，要用电刷通过与绕组上的换向器（铜头）接触，让电机得以转动。但是由于高速转动时电刷会磨损，所以有刷电机需要在电刷用完之后，更换电刷。

不但电刷会磨损，换向器也会磨损，因此除了换电刷，还需要打磨铜头，让铜头保持光滑，并让电刷与铜头的接触面积最大化，达到最大的效率。所以有刷电机维护是挺麻烦的。

多轴飞行器上很少用有刷电机，但在一些很轻的小四轴上，有些用空心杯有刷电机。传统的电机转子是由线圈绕在铁芯上组成，而空心杯电机去掉了铁芯，转子由一个线圈编织成的笼子组成，这种优点是重量轻（少了铁芯）、转动惯量大幅降低而响应快（要转就转，要停就停）、能量转换效率在70%以上，（铁芯电机在15-50%）。但由于功率和转速太快等原因，空心杯电机现多用在一些很轻巧的四轴飞行器上。

1）有刷电机缺点：

a、电刷和换向器之间有摩擦，造成效率降低、噪音增加、容易发热，有刷电机的寿命要比无刷短几倍。

b、维护麻烦，需要不停的换电刷。

c、因为电阻大，效率低、输出功率少。

d、电刷和换向器摩擦会引起火花，干扰大。

2）有刷电机优点：

a、低速扭力性能优异、转矩大。

b、相比无刷电机，少了很多电子零件,价格比无刷的便宜。

c、由于少了电子零件，少了由于传感器受干扰、电子零件失灵等影响。

2、无刷直流电机

无刷电机顾名思义就是没有刷子，有刷电机是因为线圈是转的才被迫用刷子和换向器，来保证线圈通电和不停换向。而无刷电机线圈部分是不转的，转的是由磁铁部分组成的转子，所以就无需电刷了。

线圈固定了，那怎样才能产生变化的磁场呢？需要三组线圈加上无刷电调，通过不断改变线圈的电流方向来产生变化的磁场，从而驱动磁铁转子不停转动。无刷电机需要无刷的电调才能工作，而有刷电机把线接到电源正负极就可以转动了。

1）无刷电机缺点：

a、需要无刷电调一起才能工作，价格比有刷的要高。

b、可靠性受电子零件影响，或者传感器受到干扰电机会失效。

2）无刷电机优点：

a、没有电刷和转向器的摩擦，噪音低、振动少，发热少、寿命长。

b、不需要更换电刷，维护简单。

c、没有电刷产生的火花，干扰少。

d、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小。

直流电机的技术指标

因为直流电机是规格众多，也是 DIY 者的首选，DIY 的成分也最多，所以了解其指标就至关重要。

典型的直流电机技术说明主要包括以下几点：（以下摘自《机器人设计与控制》）

1）额定输入电压

电机正常的输入电压。通常输入电压可以超过额定电压值 10 -15% 。

2）空载转速

电机的最高转速。没经过齿轮减速之前，电机的最高转速大约在 5000 –15000 r/min 之间（好的电机可达 28000r/min）。

3）堵转转矩

这是电机能输出的最大转矩。对应于堵转转矩，电机的转速为 0，输入电流最大。

4）摩擦转矩

指由于电机各个零件（包括轴承、电刷等等）之间的摩擦而损失的转矩。 这个值当然越低越好。

5）输出功率

指电机的最大输出功率。电机的最大功率等于电机的空载转速乘以堵转力

6）空载电流

这是电机在空载状态的输入电流。当电机运转在最高转速的时候，其需要的输入电流实际上是最小的。在空载电流驱动下，电机除了克服摩擦力矩外，没有其它力矩输出。随着转轴上负载的增大，输入电流将增大。

7）反向电压系数

这个系数通常以 mV/(r/min) 给出，有时也以 V/(1000r/min) 给出。当给定电机的转速后，可以通过这个系数求出电机的反向电压。随电机转速升高，反向电压增大，绕组两端的实际电压降低，导致需求的输入电流也降低。对于空载下运行在最高转速的电机而言，反向电压将和供电电压达到平衡。在该时刻，电枢两端的实际电压为 0V，一个理想的电机此时将不再需要电流。然而实际上的电机不可能真正地实现空载，因为摩擦总是存在的。

8）空载转速系数

空载系数通常以 (r/min)/V 给出。当给出电机的输入电压后，可以根据该系数求出电机的空载转速。例如，假设电机的空载转速系数为 1200(r/min)/V，供电电压 9V，那么可以算出电机的空载转速为 10800 转/分（9 * 1200）。

9）转矩系数

这个系数通常用来计算在一定的输入电流下电机所产生的输出力矩。通常以 (N.m)/A 给出。要注意的是这里所指的输出转矩定义为电机在尚未经过齿轮减速之前的输出。另外，如果已经知道要求的输出转矩，也可以用转矩除以转矩系数求得所需要的输入电流。

10）电枢电阻

电枢电阻的单位为欧姆。实际流过绕组的电流是由反向电压、输入电压和电枢电阻共同决定的。由欧姆定律：

I = （ V – E ） / R

式中， I 为输入电流， V 为输入电压， E 为反向电压， R 为电枢电阻。

11）电枢感应系数

对于小电机而言，电枢感应系数 电枢感应系数都在 mH 的级别上。使用 PWM 来控制电机的时候自感应现象表现的相当严重。当电机电源突然被切断的瞬间，电枢绕组将会产生一个很高的电动势施加在控制电路上。该电动式有很多名称，有的称为 回路电动势，有的称为 感应电动势。它可由下式求出：

V = L * （ dI /dT ）

式中， L 为电枢感应系数， V 为感应电动势，dI 为电流增量， dT 为时间增量。

当电流忽然转向的时候，dI/dT 将非常大，这时候 L 是决定感应电动势大小的关键因素—— 有的电机可达 100 多伏。幸运的是可以利用续流二极管来消除感应电动势的影响。

12）最高效率

该效率是电机可能获得的最高效率。对于小电机而言，该值大概在 50 – 75% 之间，大型直流电机可以达到 90%。直流电机通常在输出转矩为最大转矩的 10 -15 % 时获得最高效率。加上减速器后最高效率还将降低一些。

13）最大径向载荷

该参数指在电机正常运行的前提下，允许垂直施加于电机轴上的径向最大载荷。

14）最大轴向载荷

类似地，该参数指电机正常工作的前提下，允许施加在电机轴上的轴向最大载荷。（以上摘自《机器人设计与控制》P85-P86）可作为 DIY 者所选择的电机通常很难获得上述那么全面的指标，一般只有以下形式的数据表：

注：直流电机输出功率 P P （单位：W）计算公式为：

P = T * ω

式中，T 为转矩，单位是 N.m ；ω 为角速度，单位是 rad/s 。

直流电机的最大输出功率对应于转矩为 1/2 最大转矩，转速为 1/2 最大转速（即空载转速）的工况，其公式如下：

P max = 1/4 * T max * ω max

通常电机提供的转速是以“r/min （转/ 分或 rpm） ）”为单位，计算前需要转换为 “rad/s） （弧度/秒）”：

rad/s （弧度/秒）= 0.1047 * r/min（转/分）

如空载转速：9800 r/min —〉1026 rad/s

电机的力矩通常是以“g.cm（克 （克.厘米） 厘米）”为单位，需要转换为“N.m（牛 （牛.米） 米）”：

N.m = 0.000098 * g.cm

如堵转力矩：50g.cm ——〉 0.0049 N.m ——〉4.9 mN.m

此电机的最大功率为： 0.0049 * 1026 = 1.26W

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