几种直流电动机原理和特点的比较
王新宇20070173
（北京理工大学信息科学技术学院01220701班）
摘要本文通过介绍三种直流电机：普通直流电机、无刷电机、步进电机的原理和特点，使用学过的物理知识分析比较了三种电机的优缺点。

以便在完成不同工作时正确地选
取并使用三种电机。

关键字直流电机；无刷电机；步进电机
1 引言
1821年英国科学家法拉第证明可以把电力转变为旋转运动。

而德国的雅可比则是最先制成直流电动机的人。

他于1834年前后成了一种简单的装置：在两个U型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。

通电后，棒型磁铁与U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动。

直流电机的发明对各个行业都产生了极大的影响，而不同行业对电机性能的要求越来越高，且不尽相同，于是便产生了很多种直流电机。

这些电机原理和性能有着很大的区别，以应用于不同领域。

2 普通直流电机
普通直流电机便是我们最熟悉的一种电动机，它的转子在内部,由线圈组成，定子则在外部，由永磁体组成。

图1
在工作时，而把它的电刷A、B接在电压为U 的直流电源上（如图1所示），电刷A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd 中的电流是从c流向d。

载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和cd两导体都要受到电磁力F de的作用。

根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而cd边则是向右。

由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和cd边所受电磁力的大小相等。

这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。

当线圈转到磁极
的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。

线圈转过半周之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到S极范围内，cd边转到N极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流则是从b流向a。

因此，电磁力F dc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。

可见，分别处在N、S极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了。

从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变。

换向器和电刷就是完成这个任务的装置。

当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。

直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。

碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。

3 直流无刷电机
直流无刷电机是指无电刷和换向器的电机，又称无换向器电机。

与有刷电机不同，无刷电机的定子由线圈组成，动子为永磁体。

图2
在工作时，电流首先从a流向b，在动子周围产生从a线圈指向b线圈的磁场，在磁场中的永磁体动子的N极转到b线圈附近；此时将电流变为从b流向c，动子周围的磁场就变成了从b线圈指向c线圈，动子的N极又转到c线圈附近；此时再把电流变为从c流向a，类似的，动子的N极又会转到a线圈附近。

随着不断变换电流，转子便连续不断地顺时针旋转。

图3
从以上分析我们看到，无刷电机的转动需要始终在变化的电流，而判断何时变换电流就需要依靠霍尔元件（Hall sensors）或线圈两端电压来检测转子的位置。

（如图3）当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压，当到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通，从而检测出转子的位置。

使用DSP或单片机接受霍尔元件返回的信号并产生控制电机三相接头的电压信号（如图4），控制驱动电路驱动电机旋转。

而电机转动速率则要靠通电时间来控制，速度不够则开长，速度过头则减短。

图4
为了减少转动惯量，无刷直流电机通常采用“细长”的结构。

无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40％—50％左右。

因为没有点刷，无刷电机避免了打火，电刷磨损等由电刷引起的问题。

但由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。

4 步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

其转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）图5是定转子的展开图
图5
A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C
偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。

C相通电，A，B相不通电，齿3应与C 对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。

A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A......通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。

如按A，C，B，A......通电，电机就反转。

由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。

而方向由导电顺序决定。

不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。

往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。

甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移
1/m,2/m......(m-1)/m,1。

并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制
电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F 与（dФ/dθ）成正比
其磁通量Ф=Br*S
Br为磁密，S为导磁面积
F与L*D*Br成正比
L为铁芯有效长度D为转子直径Br="N"·I/R
N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）
R为磁阻。

M=F*R
力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）
因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

在非超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

5 总结
通过以上介绍，我们了解了普通直流电机、直流无刷电机、步进电机的原理和特点，以及三种电机各自的优缺点。

取合适的电机，不仅会节省成本，还能大大简化设计，更好的完成各种项目。

参考文献
[1] 胡虔生电机学《电气电子教学学报》-2002
年24卷6期-50-52页
[2] 李威震无刷直流电机及其应用《电机技术》
-2000年3期-24-26页
[3] 陈理壁步进电机及其应用上海科学技术出
版社, 1985。