电机世界之直流有刷电机（科普文）
作者：互联网
直流有刷电机应该是最好理解的电机结构了，但是它却是理解其他电机的基础。
下面的文章给大家做个参考。（部分图片来自网站“LearnENGINEERING”，原作者Sabin Mathew）
/ 最简模型 /
万事开头难，如果一上来就扔出一个复杂的电机，估计很多人就要打退堂鼓了。所以，我们要从最简单的模型入手，如下图：
简单来说，直流有刷电机主要由四部分组成：
1，定子（stator）；
2，电枢（armature），也称转子；
3，换向环（commutator ring）；
4，电刷（brush）。
从上图我们可以看到，左右两边的定子（stator）由永磁体构成，左边是N极，右边是S极。磁力线从N极出发，终止于S极。
电枢（armature），也就是转动部分的转子，是一个简单的线圈。
换向环（commutator ring），是电枢线圈与电刷的桥梁。主要作用是保证电枢线圈中电流的方向周期性改变。
电刷（brush），是和换向环通过接触的方式来给线圈供电的装置。因此，电刷一般都有比较好的弹性，保证与换向环接触良好。
当电源通过换向环给电枢线圈通电以后，线圈中就会有电流流过。由于电磁感应，线圈将会受到一个电磁力的作用，称作洛伦兹力。而这个力的方向，由下图中的红色箭头标示。蓝色箭头是线圈中电流的方向。
这时候图中的电枢线圈在洛伦兹力的作用下，开始逆时针转动。
当电枢线圈转过中间垂直位置到达另外一侧时，在换向环的作用下，线圈中电流的方向改变了（线圈的右边本来电流朝外，等它转到左边以后，电流变成了朝里），为什么要改变电流方向呢？
那是由于电流方向的改变，才能保证旋转过程中，线圈受到的力矩方向不变，从而让线圈保持朝同一个方向旋转。
/ 模型优化 /
上面这个电机结构模型看似已经能够正常工作了，但是还不够好！因为单线圈的电枢有个问题，那就是当线圈接近中间垂直位置的时候，它所受到的力矩几乎为零，如下图所示：
这就会导致电枢线圈初始位置在这个点时，电机根本无法启动。并且单线圈电机的运动平顺性较差。
那么该如何改进呢？答案是再加一个线圈，原来两瓣的换向环也变成四瓣，如下图：
这时候你会发现，当其中一个线圈在中间垂直位置的时候，另外一个线圈正好能通上电，并且处在力矩较大的位置。那么就能保证电枢的持续转动了。
聪明的你也许会想到，既然加了一个线圈能有这个好处，那我们再多加几个会不会更好呢？答案是肯定的。线圈越多，电机运行越平顺。
/ 实际电机电枢 /
实际的电机电枢如下图所示：
从上图可以看到，电枢线圈缠绕在一个有很多槽（slots）的铁芯上。这个线圈就不单纯是一根线了，而是很多根线缠绕在一起，我们把它形象地称作绕组。
而中间的铁芯，是为了增加绕组的磁通量，一般使用一片片的矽钢片叠在一起。为什么是一片片的矽钢片叠在一起，而不是一整块？因为一整块的金属会产生一种叫“涡流”的讨厌鬼，把电能都消耗在发热上。
当然，涡流并不是一直都令人讨厌的。没有它，就不会有人见人爱的电磁炉火锅了。没错，电磁炉就是通过涡流加热锅的！
到此，你已经基本了解了直流有刷电机的工作原理。当孩子问你，马达为什么通电就能转起来的时候，你就能滔滔不绝地告诉他/她了。虽然他/她基本听不懂，但是不妨碍他/她用崇敬的眼神深情款款地望着你噢！
/ 这就结束了吗？/
人类的智慧是无穷的，本着“没有最好，只有更好”的原则。直流有刷电机当然还有可以优化的地方：我们可以用电磁铁来代替永磁体。如下图所示：
电磁铁不仅价格便宜，还可以对它进行控制，得到我们想要的励磁效果。
而根据定子电磁铁连接到电机电枢的接线方式的不同，产生了两种不同结构的电机：串励直流电机和并励直流电机。
1，串励直流电机
顾名思义，串励直流电机的定子励磁线圈与电枢的绕组是串联的关系，如下图所示：
这种结构的电机的特点是，启动扭矩很大。但是当负载比较重的时候，转速会急速下降。
2，并励直流电机
同理，并励直流电机的定子励磁线圈与电枢的绕组是并联的关系，如下图所示：
并励直流电机的特点是，启动扭矩较小。但是其“转速——扭矩”曲线相当理想。在负载改变的时候，它可以几乎保持一个恒定的转度运行，这是它最吸引人的地方。“转速——扭矩”曲线如下图：
/ 结语 /
以上就是直流有刷电机的简要介绍了。实际应用中还会有诸如转速传感器、控制器等辅助部件，这些都是为了让电机更好地为我们服务。
电机家族里还有很多其他成员，例如尼古拉·特斯拉发明的无刷交流感应电机（brushless alternating current induction motor），另外一个特斯拉（汽车）早期使用的三相交流感应电机（Triple-phase asynchronous motor），以及近期Model 3上使用的永磁同步电机（permanent-magnet synchronous motor），等等。如有机会我们将在后续的文章中再给大家科普。
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标签：电机,有刷,换向,线圈,直流电机,科普,电枢 来源： https://blog.csdn.net/panqf86/article/details/104472850