三種主要電機(jī)的實(shí)物結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用電路

電機(jī)有哪些種類？

雖然“電機(jī)的種類”這幾個(gè)字說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，但隨著技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)已經(jīng)變得越來(lái)越多樣化，因此分類方法也呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，可以根據(jù)電源種類、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理、電機(jī)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行分類。

例如，當(dāng)我們根據(jù)[轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理] ? [電源] ? [結(jié)構(gòu)]進(jìn)行分類，就會(huì)得出如下圖所示的結(jié)果：

如上圖所示，電機(jī)的種類有很多，但方便用于電子制作的電機(jī)卻是有限的。在本文中，將為您介紹適用于電子制作的三種主要電機(jī)及其應(yīng)用。

什么是有刷直流電機(jī)？

在電子制作中常用的電機(jī)是“有刷直流電機(jī)”。不同的電機(jī)制造商對(duì)這種電機(jī)的叫法也有所不同，比如“DC電機(jī)”、“直流換向器電機(jī)”、“有刷電機(jī)”、“直流換向器電動(dòng)機(jī)”等各種名稱。

有刷直流電機(jī)是一種簡(jiǎn)單易用的電機(jī)，它無(wú)需準(zhǔn)備特別的電子電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，只要連接干電池等電源即可旋轉(zhuǎn)。由于其易用性和低廉的價(jià)格，使其成為電子制作中使用率最高的電機(jī)。

它還可以通過(guò)PWM或被稱為“電機(jī)驅(qū)動(dòng)器”的控制IC來(lái)調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度、設(shè)置旋轉(zhuǎn)方向并控制制動(dòng)等，因此還被廣泛用于無(wú)線電控制器和風(fēng)扇等應(yīng)用。

圖中是有刷直流電機(jī)的典型控制方式——“H橋電路”。可以通過(guò)四個(gè)開(kāi)關(guān)（實(shí)際上是晶體管或FET）的ON/OFF來(lái)操作電機(jī)①自由/②正轉(zhuǎn)/③反轉(zhuǎn)/④制動(dòng)。

雖然這種電機(jī)具有易用性的優(yōu)點(diǎn)，但它也有一些缺點(diǎn)。有刷直流電機(jī)的內(nèi)部具有被稱為“電刷”的接觸體，如果電刷因旋轉(zhuǎn)引起的摩擦而嚴(yán)重磨損，電機(jī)將無(wú)法使用。轉(zhuǎn)幾個(gè)小時(shí)是沒(méi)有問(wèn)題的，但是如果持續(xù)使用，電刷就會(huì)磨損嚴(yán)重，就需要更換整個(gè)電機(jī)，而且電機(jī)不能再重復(fù)使用。

此外，接觸體電刷產(chǎn)生的火花也是導(dǎo)致噪聲的原因之一，在某些情況下，有刷直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的異味也是很大的問(wèn)題，因此，在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，必須考慮其他選項(xiàng)。

優(yōu)點(diǎn)

給電即可旋轉(zhuǎn)

價(jià)格低

缺點(diǎn)

電刷引起的問(wèn)題（壽命、噪聲、異味等）

什么是無(wú)刷直流電機(jī)？

“無(wú)刷直流電機(jī)”通過(guò)取消有刷直流電機(jī)的電刷，解決了電刷帶來(lái)的弊端。通過(guò)去除電刷，取消了電機(jī)內(nèi)部的接觸體，減少了零部件數(shù)量，最終使電機(jī)在可維護(hù)性、重量、壽命、電機(jī)效率和高速旋轉(zhuǎn)等各個(gè)方面的性能都得到了提升，可以說(shuō)是一種劃時(shí)代的電機(jī)。這種電機(jī)不是給電就可以工作的，使用起來(lái)稍微有點(diǎn)麻煩，但其效率高，壽命長(zhǎng)，因而常被用于電池供電的設(shè)備。

使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電子電路會(huì)始終監(jiān)測(cè)與輸出軸（曲軸）連接的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)角度隨時(shí)切換線圈的通電。驅(qū)動(dòng)電路的作用對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)的控制非常重要。無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路需要很多電子元器件，包括位置檢測(cè)傳感器、多個(gè)功率晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)器、以及控制它們的微控制器等，因此對(duì)電路設(shè)計(jì)技巧和軟件知識(shí)要求很高。

近年來(lái)，配備單片機(jī)控制IC或具有無(wú)刷直流電機(jī)控制功能的微控制器的無(wú)刷直流電機(jī)也越來(lái)越多，但總體而言，無(wú)刷直流電機(jī)的操作還是比有刷直流電機(jī)復(fù)雜。

無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。在該電路之外，還增加了位置檢測(cè)傳感器和用來(lái)檢測(cè)過(guò)電流的保護(hù)電路，使電路規(guī)模很大。

順便提一下，無(wú)刷直流電機(jī)的分類比較復(fù)雜，由于電機(jī)本身是由逆變器產(chǎn)生的交流電驅(qū)動(dòng)的，所以可以考慮將其歸類為“交流電機(jī)”，但貌似無(wú)刷直流電機(jī)多被歸類為“直流電機(jī)”。

優(yōu)點(diǎn)

重量輕、壽命長(zhǎng)、電機(jī)效率好

缺點(diǎn)

價(jià)格貴、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜

什么是步進(jìn)電機(jī)？

“步進(jìn)電機(jī)”是可以控制旋轉(zhuǎn)角度的電機(jī)。前面介紹的兩種電機(jī)都是用作長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力源，而步進(jìn)電機(jī)主要用于位置控制。

步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是，每施加一次脈沖信號(hào)，輸出軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度。這種每輸入一次脈沖信號(hào)而旋轉(zhuǎn)的角度稱為“步距角”。例如，如果是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的話，會(huì)每200個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)一圈，因此可以按照“施加100個(gè)脈沖使其旋轉(zhuǎn)半圈”、“每秒施加1000個(gè)脈沖，使其5轉(zhuǎn)/秒”等進(jìn)行控制，可以很靈活地控制其旋轉(zhuǎn)速度、方向和停止位置等。

由于即使在電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)其保持轉(zhuǎn)矩也會(huì)作用，因此步進(jìn)電機(jī)也被用于需要固定停止位置的應(yīng)用。

與伺服電機(jī)通過(guò)安裝在電機(jī)外部的伺服機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停止位置的方式不同，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)控制位置，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)。對(duì)于數(shù)控機(jī)床、3D打印機(jī)和機(jī)械臂等需要高精度位置控制的應(yīng)用而言，步進(jìn)電機(jī)已成為不可或缺的部件。

只需施加脈沖即可運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電路是相對(duì)簡(jiǎn)單的。但是，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩過(guò)大或轉(zhuǎn)速過(guò)快，就會(huì)出現(xiàn)失步（發(fā)送的脈沖數(shù)與旋轉(zhuǎn)角度不匹配）和噪聲等問(wèn)題，因此要想使其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，還是需要一定的機(jī)械設(shè)計(jì)技巧的。