電機認識
有刷電機，無刷電機
我們常用的發動機是直流電機（馬達），直流電機可以分有刷電機和無刷電機。
- 1.有刷直流電機
圖解直流電機有刷和無刷的區分
圖解直流電機有刷和無刷的區分
我們小時候很常見的大多是有刷電機。有刷電機最基本的組成部分除了定子（不轉動的部分，固定著的）、轉子（轉動的部分，通過軸把動力輸出）、電刷，有刷電機的名字因此而來。
圖解直流電機有刷和無刷的區分
看圖知道，有刷電機的線圈部分是轉動的，為了保證轉的過程中線圈能導電和換向，要用電刷通過與繞組上的換向器（銅頭）接觸，讓電機得以轉動。但是由於高速轉動時電刷會磨損，所以有刷電機需要在電刷用完之後，更換電刷。
不但電刷會磨損，換向器也會磨損，因此除了換電刷，還需要打磨銅頭，讓銅頭保持光滑，並讓電刷與銅頭的接觸面積最大化，達到最大的效率。所以有刷電機維護是挺麻煩的。
多軸飛行器上很少用有刷電機，但在一些很輕的小四軸上，有些用空心杯有刷電機。傳統的電機轉子是由線圈繞在鐵芯上組成，而空心杯電機去掉了鐵芯，轉子由一個線圈編織成的籠子組成，這種優點是重量輕（少了鐵芯）、轉動慣量大幅降低而響應快（要轉就轉，要停就停）、能量轉換效率在70%以上，（鐵芯電機在15-50%）。但由於功率和轉速太快等原因，空心杯電機現多用在一些很輕巧的四軸飛行器上。
圖解直流電機有刷和無刷的區分
1）有刷電機缺點：
a、電刷和換向器之間有摩擦，造成效率降低、噪音增加、容易發熱，有刷電機的壽命要比無刷短几倍。
b、維護麻煩，需要不停的換電刷。
c、因為電阻大，效率低、輸出功率少。
d、電刷和換向器摩擦會引起火花，干擾大。
2）有刷電機優點：
a、低速扭力性能優異、轉矩大。
b、相比無刷電機，少了很多電子零件,價格比無刷的便宜。
c、由於少了電子零件，少了由於感測器受干擾、電子零件失靈等影響。
- 2、無刷直流電機
無刷電機顧名思義就是沒有刷子，有刷電機是因為線圈是轉的才被迫用刷子和換向器，來保證線圈通電和不停換向。而無刷電機線圈部分是不轉的，轉的是由磁鐵部分組成的轉子，所以就無需電刷了。
圖解直流電機有刷和無刷的區分
線圈固定了，那怎樣才能產生變化的磁場呢？需要三組線圈加上無刷電調，通過不斷改變線圈的電流方向來產生變化的磁場，從而驅動磁鐵轉子不停轉動。無刷電機需要無刷的電調才能工作，而有刷電機把線接到電源正負極就可以轉動了。
圖解直流電機有刷和無刷的區分
圖解直流電機有刷和無刷的區分
1）無刷電機缺點：
a、需要無刷電調一起才能工作，價格比有刷的要高。
b、可靠性受電子零件影響，或者感測器受到干擾電機會失效。
2）無刷電機優點：
a、沒有電刷和轉向器的摩擦，噪音低、振動少，發熱少、壽命長。
b、不需要更換電刷，維護簡單。
c、沒有電刷產生的火花，干擾少。
d、轉矩特性優異，中、低速轉矩性能好，啟動轉矩大，啟動電流小。
直流電機的技術指標
因為直流電機是規格眾多，也是 DIY 者的首選，DIY 的成分也最多，所以了解其指標就至關重要。
典型的直流電機技術說明主要包括以下幾點：（以下摘自《機器人設計與控制》）
- 1）額定輸入電壓
電機正常的輸入電壓。通常輸入電壓可以超過額定電壓值 10 -15% 。
- 2）空載轉速
電機的最高轉速。沒經過齒輪減速之前，電機的最高轉速大約在 5000 –15000 r/min 之間（好的電機可達 28000r/min）。
- 3）堵轉轉矩
這是電機能輸出的最大轉矩。對應於堵轉轉矩，電機的轉速為 0，輸入電流最大。
- 4）摩擦轉矩
指由於電機各個零件（包括軸承、電刷等等）之間的摩擦而損失的轉矩。 這個值當然越低越好。
- 5）輸出功率
指電機的最大輸出功率。電機的最大功率等於電機的空載轉速乘以堵轉力
- 6）空載電流
這是電機在空載狀態的輸入電流。當電機運轉在最高轉速的時候，其需要的輸入電流實際上是最小的。在空載電流驅動下，電機除了克服摩擦力矩外，沒有其它力矩輸出。隨著轉軸上負載的增大，輸入電流將增大。
- 7）反向電壓係數
這個係數通常以 mV/(r/min) 給出，有時也以 V/(1000r/min) 給出。當給定電機的轉速後，可以通過這個係數求出電機的反向電壓。隨電機轉速升高，反向電壓增大，繞組兩端的實際電壓降低，導致需求的輸入電流也降低。對於空載下運行在最高轉速的電機而言，反向電壓將和供電電壓達到平衡。在該時刻，電樞兩端的實際電壓為 0V，一個理想的電機此時將不再需要電流。然而實際上的電機不可能真正地實現空載，因為摩擦總是存在的。
- 8）空載轉速係數
空載係數通常以 (r/min)/V 給出。當給出電機的輸入電壓後，可以根據該係數求出電機的空載轉速。例如，假設電機的空載轉速係數為 1200(r/min)/V，供電電壓 9V，那麼可以算出電機的空載轉速為 10800 轉/分（9 * 1200）。
- 9）轉矩係數
這個係數通常用來計算在一定的輸入電流下電機所產生的輸出力矩。通常以 (N.m)/A 給出。要注意的是這裡所指的輸出轉矩定義為電機在尚未經過齒輪減速之前的輸出。另外，如果已經知道要求的輸出轉矩，也可以用轉矩除以轉矩係數求得所需要的輸入電流。
- 10）電樞電阻
電樞電阻的單位為歐姆。實際流過繞組的電流是由反向電壓、輸入電壓和電樞電阻共同決定的。由歐姆定律：
I = （ V – E ） / R
式中， I 為輸入電流， V 為輸入電壓， E 為反向電壓， R 為電樞電阻。
- 11）電樞感應係數
對於小電機而言，電樞感應係數 電樞感應係數都在 mH 的級別上。使用 PWM 來控制電機的時候自感應現象表現的相當嚴重。當電機電源突然被切斷的瞬間，電樞繞組將會產生一個很高的電動勢施加在控制電路上。該電動式有很多名稱，有的稱為 迴路電動勢，有的稱為 感應電動勢。它可由下式求出：
V = L * （ dI /dT ）
式中， L 為電樞感應係數， V 為感應電動勢，dI 為電流增量， dT 為時間增量。
當電流忽然轉向的時候，dI/dT 將非常大，這時候 L 是決定感應電動勢大小的關鍵因素—— 有的電機可達 100 多伏。幸運的是可以利用續流二極體來消除感應電動勢的影響。
- 12）最高效率
該效率是電機可能獲得的最高效率。對於小電機而言，該值大概在 50 – 75% 之間，大型直流電機可以達到 90%。直流電機通常在輸出轉矩為最大轉矩的 10 -15 % 時獲得最高效率。加上減速器後最高效率還將降低一些。
- 13）最大徑向載荷
該參數指在電機正常運行的前提下，允許垂直施加於電機軸上的徑向最大載荷。
- 14）最大軸向載荷
類似地，該參數指電機正常工作的前提下，允許施加在電機軸上的軸向最大載荷。（以上摘自《機器人設計與控制》P85-P86）可作為 DIY 者所選擇的電機通常很難獲得上述那麼全面的指標，一般只有以下形式的數據表：
註：直流電機輸出功率 P P （單位：W）計算公式為：
P = T * ω
式中，T 為轉矩，單位是 N.m ；ω 為角速度，單位是 rad/s 。
直流電機的最大輸出功率對應於轉矩為 1/2 最大轉矩，轉速為 1/2 最大轉速（即空載轉速）的工況，其公式如下：
P max = 1/4 * T max * ω max
通常電機提供的轉速是以「r/min （轉/ 分或 rpm） ）」為單位，計算前需要轉換為 「rad/s） （弧度/秒）」：
rad/s （弧度/秒）= 0.1047 * r/min（轉/分）
如空載轉速：9800 r/min —〉1026 rad/s
電機的力矩通常是以「g.cm（克 （克.厘米） 厘米）」為單位，需要轉換為「N.m（牛 （牛.米） 米）」：
N.m = 0.000098 * g.cm
如堵轉力矩：50g.cm ——〉 0.0049 N.m ——〉4.9 mN.m
此電機的最大功率為： 0.0049 * 1026 = 1.26W
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