有刷直流电机与无刷直流电机——结构、原理与控制

原创于 2025-12-15 17:48:00 发布 · 747 阅读

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0. 前言

在现代工业自动化、电动交通工具、机器人以及家用电器中，直流电机（Direct Current Motor，因此又可以称为DC电机）因其结构简单、调速性能优异、控制方便等优点，长期以来占据着不可替代的地位。虽然近年来交流电机及其变频控制技术迅速发展，但直流电机在特定应用场景中仍具有显著优势。本文主要汇总介绍了直流电机的分类、基本结构、工作原理以及常用的控制方法，帮助读者更好了解直流电机及其工程应用。

1. 直流电机分类及原理

直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机两种，具有不同的原理和结构。

1.1 有刷直流电机

内部结构

从结构上看，直流电机主要有以下四个部分：

定子（Stator）：定子是电机的静止部分，通常由永磁体（如铁氧体）或电磁绕组构成，用于产生固定的磁场；
转子（Rotor，也称电枢）：转子是电机的旋转部分，由铁芯和绕在铁芯上的线圈（电枢绕组）组成。当电流通过这些线圈时，会产生电磁场。与定子中间存在气隙；
换向器（Commutator）：换向器是一个安装在转子轴上的圆筒形部件，由多个相互绝缘的铜片组成。它的作用是随着转子转动，周期性地改变电枢绕组中的电流方向；
电刷（Brushes）：电刷通常由碳或石墨制成，固定在电机外壳上，与换向器表面滑动接触。它将外部电源的直流电导入旋转的电枢绕组中。

工作原理

有刷直流电机的工作基于电磁感应和洛伦兹力的物理原理，也就是通电导体再磁场中受力从而获得旋转。具体原理是：

①当直流电源通过电刷接入换向器时，电流流入转子上的电枢绕组；

②载流导体（转子线圈）置于定子产生的恒定磁场中，受到洛伦兹力的作用(如下图所示受力)，从而产生转矩，驱动转子旋转。旋转半圈以后通过换向器改变电流方向，因此当线圈旋转后受力方向向下可以使得转子继续向同一方向旋转，这样定子就可以持续旋转。

因此通过改变电流的方向，可以实现直流电动机的正反转。同时，通过改变电流的大小，还可以控制直流电动机的转速。

为何需要换向器？

换向器，也叫整流子，是直流电机电枢上重要部件，其主要作用就是让电机持续转动。换向器由一组固定在旋转机器或转子圆周部分周围的铜片和一组固定在机器固定框架上的弹簧刷组成。

如上我们提到直流电机旋转工作原理中换向器的作用，如果当转子旋转到线圈平面与磁场垂直时（即“中性面”），如果不改变电流方向，洛伦兹力的方向就会反向，导致作用在同一根导线上的转矩反向，转子就会往回转，电机则无法持续单向旋转。

有刷直流减速电机：普通的有刷直流电机通常转速高、力矩小。一般在力矩需求大、转速小的场景都会用到减速箱与电机配合使用。

有刷直流减速电机

1.2 无刷直流电机

无刷直流电机（Brushless DC Motor，简称 BLDC）是现代电机技术中的重要代表。它去掉了传统有刷电机中的电刷和换向器，通过电子方式控制电流换向，因此具有高效率、长寿命、低噪声、高可靠性等优点，广泛应用于无人机、电动工具、电动汽车、空调风扇、硬盘驱动器等领域。

无刷直流电机结构

内部结构

与有刷直流电机不同的是，磁铁都集中在转子上，绕组线圈在定子上面，结构主要分为以下几个部分：

定子（Stator）：定子是固定不动的部分，由铁芯和嵌在槽中的多组线圈（绕组）组成。常见的是三相绕组，每组由多个线圈串联或并联而成，空间上彼此相差120°电角度。

BLDC定子

转子（Rotor）：通常由永磁体（如钕铁硼）制成，表面有多个磁极，根据应用，极数可以在2到8个之间变化，北极（N）和南极（S）交替放置，如下图所示几种布置方式。无刷直流电机没有电刷，因此转子上没有任何电线或换向器，结构上较为简单。

BLDC转子

（a）磁体放置在转子的外周上；（b）电磁嵌入式转子，其中矩形永磁体嵌入转子的铁心中；（c）将磁体插入转子的铁芯中

电子换向系统（电机开关电路 + 位置传感器）：这是无刷电机的大脑，由于BLDC电机中没有电刷，因此换向是电子控制的。为了使电机旋转，必须顺序地给定子绕组通电，并且必须知道转子的位置（即转子的北极和南极）才能精确地给一组特定的定子绕组通电，这里转子位置传感器就起到了检测转子位置的作用。
- 转子位置传感器：一般用霍尔传感器，这是一种非接触式的传感器，通过检测通过霍尔元件附近的磁场强度变化来生成电信号。大多数BLDC电机使用三个霍尔传感器，这些传感器嵌入到定子中，转子处在南极或北极会使得霍尔传感器输出高或低的电信号，利用这三个传感器检测到的电信号即可明确转子的位置信息。
- 电子开关电路：驱动电路一般是由6个MOSFET组成的三相桥式电路，这 6 个 MOS 管分为两组，三个高边 MOS 连接电源正极（VBus），三个低边 MOS 连接电源负极。通过控制 MOS 管通断，实现电流在电机绕组中分配，推动电机运转。

然后控制器通过控制 6 个 MOS 管通断，实现 BLDC 换相，调节电机转速、转向，以此来满足不同应用需求，如电动汽车的加减速与能量回收。电机运转中若堵转引发过流，MOS 驱动电路能检测并切断电路，保护控制器和电机，确保系统运行。

直流无刷电机驱动电路

工作原理

无刷直流电机不利用换向器来调节线圈内部的电流，而是使用电子换向器来传递电流，该电流产生交流电信号，从而导致电机驱动。但是其与有刷直流电机的工作原理类似，无刷直流电机的运行基于洛伦兹力 (Lorentz Force) 定律和磁极相互作用原理。

为了维持转子持续旋转，定子的磁场方向就不能固定，必须随转子的位置动态改变，也就是说改变定子的磁场方向，利用磁极作用就可以使得转子转动。通电后，定子线圈从电源获得电流，它就变成电磁体并开始在气隙中产生均匀的磁场，这个磁场的方向会随着通电相序的变化而逐步旋转，定子磁场变化这一过程由外部驱动电路（逆变器）完成。而转子是永磁体，有自己的固定磁场（N-S极），根据磁学的基本规律：异性磁极相吸，转子的N极会自然地“追着”定子合成磁场的S极跑，从而实现转子旋转。

定子获得电流合成磁场由上面提到的电路控制，具体原理是通过对三相交替通电，完成磁场旋转。每一步只改变其中一极的导通状态，共六步来完成定子合成磁场旋转一周, 即每步磁场旋转 60° —— 该方法被称为 “六步换向法”。——摘自优快云_wzf@robotics_notes

六步换向法

1.3 两者对比

为了更加直观理解两者的工作方式、优缺点等，下面进行两者对比分析。

结构上

有刷与无刷中“刷”指的是碳刷，直流有刷电机和无刷电机的区别是是否配置有常用的电刷和换向器（是通过电刷和换向器实现换向还是通过逆变电路实现驱动换向）。有刷直流电机的换向一直是通过石墨电刷与安装在转子上的环形换向器相接触来实现的，而无刷直流电机则通过霍尔传感器把转子位置反馈回控制电路，使其能够获知电机相位换向时刻，即电子换向方式。

工作原理上

有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。

无刷电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。

优缺点对比

①有刷直流电机

最大优点就是控制简单，不需要复杂的驱动器，直接接上直流电源就能转，通过简单的电阻分压或改变电压即可调速；成本低，电机本身制造工艺成熟，且无需昂贵的电子控制器。

缺点是噪音大；碳刷会不断磨损，通常寿命在几百到几千小时（寿命短）。对于工业设备，这意味着定期的停机维护；有电磁干扰，换向瞬间会产生电火花。这不仅带来严重的无线电干扰，还严禁用于易燃易爆环境。

②无刷直流电机

优点：寿命长，没有了物理接触的电刷，几乎免维护；运行安静，无电磁干扰；能够实现极高的转速。

缺点：控制该电机所需的电子控制器很昂贵；需要复杂的驱动电路；需要额外的位置传感器

对比维度	有刷电机 (Brushed)	无刷电机 (BLDC)
换向方式	机械换向 (接触式)	电子换向 (非接触式)
使用寿命	低 (受电刷磨损限制)	极高 (受轴承寿命限制)
电气噪音	高 (有火花干扰)	低 (PWM开关噪声)
转速范围	低至中等	高
控制难度	极简 (接电即转)	复杂 (需驱动器 + 算法)
典型应用	电动玩具、车窗、起动电机	无人机、电动车、精密仪器

2. 直流电机控制

2.1 有刷直流电机

电机控制一般就两个核心的目标：转向与转速控制。

控制电机的单元多采用单片机与电机驱动器，驱动器结构上通常由控制单元、PWM调制模块、功率放大电路、电流检测电路、保护电路以及驱动接口等部分组成。

①有刷直流电机的转向控制

H桥驱动电路是一种典型的直流电机控制电路，它能够通过控制开关的通断来控制电机的正反转和转速。H桥是一种由4个开关（通常是三级管或MOSFET管）组成的电路，因为形状像字母“H”而得名，如下图。

工作原理就是，当Q1和Q4导通时，电流从电源正极经过Q1和Q4流向电机的两个端子，电机开始正向旋转；当Q2和Q3导通时，电流从电源正极经过Q2和Q3流向电机的另外两个端子，电机开始反向旋转。Q1与Q3闭合，Q2与Q4断开（或Q2与Q4闭合，Q1与Q3断开）时，直流电机惯性产生的电势被短路，称为阻碍旋转的反电势，因此可以认为给电机“踩刹车”。

②有刷直流电机的转速控制

PWM调制模块根据控制单元的指令，将直流电源电压转换为一系列脉冲宽度可调的方波信号，这一过程是实现电机转速调节的关键。而后，功率放大电路作为驱动器的“动力核心”，主要由功率开关器件构成，其作用是将PWM调制后的弱信号放大为足以驱动电机运转的大功率信号。

以上提到控制Q开关可以实现正反转与刹车，而引入PWM之后就可以实现速度的控制。PWM通过调节“通电时间比例”来控制平均电压，从而控制转速。占空比越大平均电压(电流) 越大，转速越快。注意：PWM不是直接加到电源上，而是加到H桥的控制信号上。

根据不同桥臂的PWM控制方式不同，大致上可以分为三种控制模式：受限单极模式、单极模式、双极模式。【参考来源：优快云_Martin272】

受限单极模式示意图

2.2 无刷直流电机

与有刷电机不同，无刷直流电机没有电刷和换向器，它的转子是永磁体，定子是多相绕组，它的驱动也需要有驱动器(控制器)才可以工作。驱动无刷电机要清楚转子当前在哪，这样才能驱动其向下一步怎么走；其次还要对功率驱动电路通电控制，这样可以控制绕组通断电流，使转子旋转；同时还需要有控制算法，根据位置和目标，有正确的开关时序。

上面提到了无刷直流电机的六步换向法，而无刷直流电机要实现六步换向时序控制，需要通过检测 (反馈) 手段，进行换向同步驱动控制。而根据不同检测方法，又可以将驱动方式分为有感驱动和无感驱动两类（有无外部位置传感器）。

① 有感驱动

转子装有3个霍尔传感器（间隔120°电角度），输出6种状态（如101、100、110…），每60°电角度变化一次。控制器可以读取霍尔信号，按预设的6步换向表，依次导通两相（如U+、V-），产生合成磁场，这里电流波形接近方波，故称“方波驱动”。