直流有刷電機(jī)(Brushed DC motor)以其結(jié)構(gòu)簡單、易于控制和成本低廉等特點(diǎn)，在許多應(yīng)用場(chǎng)合中成為理想的選擇。尤其是在一些功能簡單的應(yīng)用，如電子玩具、風(fēng)扇和汽車電動(dòng)座椅等。相較于其他類型的電機(jī)，直流有刷電機(jī)具備節(jié)省空間和降低成本的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗恍枰獌筛娎|連接電源和電機(jī)之間。此外，利用MOSFET/IGBT開關(guān)可以對(duì)直流有刷電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)提供出色的性能，整個(gè)系統(tǒng)的成本也相對(duì)較低。

然而，在某些應(yīng)用中，直流有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速過快、扭矩過小，無法滿足要求。為了解決這個(gè)問題，直流減速電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。直流減速電機(jī)是在普通直流有刷電機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一套齒輪減速箱，通過這種方式提供更大的力矩和更低的轉(zhuǎn)速。齒輪減速箱可以通過不同的減速比配置，以滿足各種不同轉(zhuǎn)速和力矩的需求。由于直流減速電機(jī)的廣泛應(yīng)用，本文將重點(diǎn)介紹直流有刷減速電機(jī)。

直流有刷電機(jī)的工作原理主要依賴于左手定則。左手定則是判斷通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受到的安培力方向的定律。通過左手定則，我們可以確定通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向。有刷直流電機(jī)的電樞上繞有大量線圈，產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)相互作用，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了完成磁極方向的跳轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子上固定位置的接觸點(diǎn)會(huì)移動(dòng)。這種接觸點(diǎn)通常由石墨制成，具有持續(xù)的接觸壓力，確保穩(wěn)定地向線圈供電。通過分析其中一組線圈和一對(duì)磁極，我們可以更好地理解有刷電機(jī)的工作原理。直流有刷電機(jī)的工作原理以及電機(jī)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電路的詳細(xì)講解，將在后續(xù)的章節(jié)中進(jìn)行介紹。通過實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的簡單控制，進(jìn)一步展示直流有刷電機(jī)的應(yīng)用潛力。綜上所述，直流有刷電機(jī)以其簡單、可靠的特性在許多應(yīng)用中成為首選。而通過引入減速機(jī)構(gòu)，直流減速電機(jī)則能夠提供更低的轉(zhuǎn)速和更大的力矩。這兩種電機(jī)都在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，為我們的生活帶來便利和舒適。

直流有刷電機(jī)在汽車中有著廣泛的應(yīng)用，涵蓋了電動(dòng)天窗、電動(dòng)雨刷系統(tǒng)、電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)、電子后視鏡調(diào)整以及窗戶升降等多個(gè)部件。它以其簡潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)脫穎而出，沒有復(fù)雜的電子控制器，這意味著制造成本低，安裝與維護(hù)流程簡化。此外，直流有刷電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)提供強(qiáng)大的轉(zhuǎn)矩，適合需要快速響應(yīng)和重載啟動(dòng)的場(chǎng)合，例如雨刷和座椅調(diào)節(jié)功能。通過調(diào)整輸入電壓或電流，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)直流有刷電機(jī)速度的控制，充分滿足汽車應(yīng)用的多樣化需求。

在有刷電機(jī)中，磁極方向的跳轉(zhuǎn)是通過移動(dòng)固定位置的接觸點(diǎn)來完成的，該接觸點(diǎn)在電機(jī)轉(zhuǎn)子上與電觸點(diǎn)相對(duì)連接。這種固定觸點(diǎn)通常由石墨制成，與銅或其他金屬相比，在大電流短路或斷路/起動(dòng)過程中石墨不會(huì)熔斷或者與旋轉(zhuǎn)觸點(diǎn)焊接到一起，并且這個(gè)觸點(diǎn)通常是彈簧承載的，所以能夠獲得持續(xù)的接觸壓力。

在20世紀(jì)，大中型有刷電機(jī)在工業(yè)和先進(jìn)制造領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用，直流電機(jī)的基本理論也被查爾斯?斯坦梅茨(Charles Steinmetz)等杰出人物廣泛分析，這包括詳細(xì)的電路，電動(dòng)勢(shì)、磁場(chǎng)方程、性能參數(shù)(速度，扭矩，控制和效率)、設(shè)計(jì)、制造等。幾十年來，直流電機(jī)理論和與應(yīng)用的課程幾乎是所有工科專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)課程，這些課程包含全面的小型和大型電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室課程。

由于使用MOSFET和IGBT作為電機(jī)的開關(guān)及其更加實(shí)用、更加經(jīng)濟(jì)可靠的控制方式，早在幾十年前，有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)便開始衰落。取而代之的是無刷直流(BLDC)電機(jī)及其變體，如步進(jìn)電機(jī)，這些電機(jī)逐漸成為主流的直流電機(jī)。現(xiàn)在，無數(shù)的汽車，磁盤驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)以及中小型設(shè)備等都使用了無刷直流電機(jī)。這種轉(zhuǎn)變的原因很顯然：使用開關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)器和智能控制器的先進(jìn)電子設(shè)備使電機(jī)系統(tǒng)在效率、可靠性、電氣噪聲、可控性和多功能性等方面變得更優(yōu)秀。這些BLDC電機(jī)沒有刷子磨損，也不會(huì)引起EMI / RFI。因此，隨著無刷替代品的使用，BDC電機(jī)的使用量急劇下降。

盡管從有刷電機(jī)到無刷電機(jī)發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，但在能夠滿足必要的性能，低成本和足夠的可靠性的前提下，有刷電機(jī)依舊是一個(gè)很好的選擇。如便宜的玩具以及一些功能簡單的應(yīng)用場(chǎng)合，如汽車的電動(dòng)座椅等。更進(jìn)一步的，綜合使用最新的控制器、MOSFET / IGBT開關(guān)，并且充分了解其局限性，就可以讓電極提供足夠好的性能。由于它們幾乎不需要電子控制裝置，所以整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)相當(dāng)便宜。此外，基本的BDC電機(jī)在電源和電機(jī)之間只需要兩根電纜，這樣就可以節(jié)省配線和連接器所需的空間，并降低電纜和連接器的成本無刷電機(jī)，又稱無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，簡稱BLDC)，是一種通過電子換向器實(shí)現(xiàn)直流電到交流電轉(zhuǎn)換的電機(jī)。它集電動(dòng)機(jī)主體與驅(qū)動(dòng)器于一體，展現(xiàn)了機(jī)電一體化的精湛工藝。之所以被稱為“無刷”，是因?yàn)檫@類電機(jī)摒棄了傳統(tǒng)電機(jī)中的碳刷這一關(guān)鍵部件。

有刷電機(jī)，則是一種內(nèi)含電刷裝置的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它既能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能(作為電動(dòng)機(jī)使用)，也能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能(作為發(fā)電機(jī)使用)。其核心組件包括定子和轉(zhuǎn)子，定子上布置著磁極，而轉(zhuǎn)子則繞有繞組。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，線圈與換向器同步旋轉(zhuǎn)，而磁鋼和電刷則保持靜止。線圈電流方向的交替變化，正是通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換向器和電刷來精準(zhǔn)控制的。無刷電機(jī)的工作原理主要依賴于半導(dǎo)體開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)的電子換向。位置傳感器，如霍爾傳感器，負(fù)責(zé)檢測(cè)永磁體轉(zhuǎn)子的位置變化，從而精準(zhǔn)控制定子繞組的電流換流。這種電子換向技術(shù)賦予了無刷電機(jī)卓越的可靠性、靜謐的機(jī)械性能以及低維護(hù)需求。

相比之下，有刷電機(jī)的工作原理基于電磁感應(yīng)。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電刷與換向器不斷摩擦接觸，既起到導(dǎo)電作用又負(fù)責(zé)換相。通過調(diào)整電刷的位置，可以靈活改變定轉(zhuǎn)子磁極夾角的方向，進(jìn)而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。有刷電機(jī)啟動(dòng)迅速、制動(dòng)及時(shí)、調(diào)速平穩(wěn)且控制簡單，但電刷的磨損問題在一定程度上限制了其使用壽命。無刷電機(jī)憑借其高效率、低噪聲以及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無論是航模、醫(yī)療器械，還是家用電器、電動(dòng)車，都能看到無刷電機(jī)的身影。例如，在航模領(lǐng)域，其高效率和穩(wěn)定性使得飛機(jī)、直升機(jī)等模型能夠輕松實(shí)現(xiàn)高性能飛行和持久續(xù)航;而在家用電器領(lǐng)域，低噪聲、高效率的無刷電機(jī)更是成為了吸塵器、風(fēng)扇等產(chǎn)品的理想之選。

無刷電機(jī)在效率、噪聲和可靠性等方面表現(xiàn)出色，相較于有刷電機(jī)更勝一籌。其運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高，低速轉(zhuǎn)矩更大，轉(zhuǎn)速精度也更準(zhǔn)確，且維護(hù)需求極低。然而，無刷電機(jī)價(jià)格相對(duì)較高，且控制器偶有故障。而有刷電機(jī)則以其親民的價(jià)格、簡便的控制方式以及快速的啟動(dòng)特性，在特定領(lǐng)域中仍保持著其獨(dú)特的競爭力。使用壽命對(duì)比，無刷電機(jī)以其卓越的耐用性脫穎而出，通常其連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)20000小時(shí)左右，常規(guī)使用壽命更是長達(dá)7-10年。這得益于其無電刷磨損的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。相比之下，有刷電機(jī)的連續(xù)工作時(shí)間和常規(guī)使用壽命則分別約為5000小時(shí)和2-3年。