说起直流电机，其实我们每个人，每天都在用。是吗？别惊讶，是的。手机，我们每天都在用，有消息或者有电话时，手机就开始振动。这个振动就是用直流电机来实现的。当然，直流电机在其他领域中也有很多应用。最典型的就是在汽车上的应用，比如电动车窗，雨刮，还有混合电动车上的驱动电机等。当然，我们设计上，有时也用到直流有刷电机，因为控制简单，成本低。偏心轮式手机振动电机工作示意图硬币式手机振动电机工作示意图偏心轮式手机振动电机爆炸图硬币式和圆柱式手机振动电机爆炸图直流电机在混合电动车上的应用无刷直流电机在电动车上的应用直流有刷电机在雨刮系统中的应用雨刮电机示意图那么，直流电机的工作原理是什么？1.直流和交流电机的分类谈到直流，其实这里隐藏着电机的一种分类方法。就是按照工作电流的不同，分为直流电机和交流电机。直流电机，就是用直流电驱动的电机，而交流电机则是用交流电来驱动的电机。电机的基本分类从性能来看，直流和交流的主要区别在于对速度的控制上。直流电机的速度正比于电压，而交流电机的速度正比于频率及磁极数。直流和交流都可以应用于伺服系统，但是交流电机可以承受更高的电流，所以工业应用中，常见的伺服电机是交流伺服电机。所谓伺服，其实和电机的类型和结构没有关系，只要有反馈，形成闭环控制，就是伺服系统。这个反馈可以是基于位置，速度，扭矩等模式。而电机可以是任何类型的电机，比如步进电机，还有今天要说的直流有刷电机，直流无刷电机，以及我打算以后有机会聊聊的交流伺服电机和感应电机，直驱电机等，都可以作为伺服电机，只要有反馈配置。当然，更进一步，直流电机又可以分为直流有刷和直流无刷电机。这里先上两张图，好对这两种电机有个基本的感知。有刷直流电机的结构无刷直流电机的结构根据励磁方式的不同，直流有刷电机，又可以分为单独励磁直流电机，自励磁直流电机和永磁电机。励磁就是定子线圈通电，产生吸引转子的磁场。自励磁直流电机，根据绕线方式的不同，还可以继续分为：串联励磁电机，并联励磁电机和复合励磁电机（串联和并联）。几种不同励磁方式的直流电机几种直流电机的速度扭矩曲线图，只有永磁式直流电机是一条直线2.有刷直流电机的工作原理好了，上面我们了解了直流电机的应用，也看完了分类。那么，接下来可以说说直流电机的工作原理了。这里先从最简单的有刷电机说起。这个很简单，上两张动画一看就明白了。有刷直流电机工作示意图直流有刷电机工作示意图直流有刷电机（BrushedDCMotor），定子是用永磁铁或者线圈做成，以形成固定磁场。在定子一端上有固定碳刷，或者铜刷，负责把外部电流引入转子线圈。而转子是由线圈构成，线圈连接轴端的换相器（Commutator），外部电流通过碳刷和换相器，到达转子线圈。当线圈通电，产生磁场，这个磁场被永磁铁吸引，促使转子转动，转过一定角度后，转子线圈通过机械换相器和碳刷改变电流方向，从而改变磁场方向，保证转子连续转动。有刷电机使用机械换相器，优点是结构简单，价格低廉，可以提供较高的扭矩，缺点是容易磨损，无法用于洁净室，而且寿命有限，需要定期维护。3.无刷直流电机的工作原理我们再来看看无刷直流电机的工作原理。还是先上一张动画，先有个感知。无刷直流电机工作示意图大多数无刷直流电机（BrushlessDCMotor=BLDC），定子都是线圈组，而转子则是磁铁组。所以不需要用刷子把电流引到定子上，这就是无刷的来历。其运动原理也是磁场相吸，或者磁场互斥。无刷直流电机和有刷直流电机的主要区别在于，无刷电机电流的大小和方向是直接通过控制器来改变的。通常，定子有三组绕线，和控制电路相连，控制电路通过霍尔传感器得知转轴的位置，以此来判断接下来哪几相需要通电。控制系统不停地改变通电相，并改变电流大小，来实现不同扭矩的控制。正因为无刷电机是通过电子换相，所以可靠性更高，运行更安静，效率也更高。通常无刷电机可以做得很小，并且拥有高扭矩重量比，当然，因为需要使用传感器和控制器，成本也随之升高。OK，上面我们粗略地了解了一下无刷直流电机。那么下面，我们再来仔细看一下，控制器是如何通过霍尔传感器的状态来改变输入相的。无刷直流电机简化的结构示意图，端面上有三个霍尔传感器（HallSensor），转子转动，形成变化的磁场，传感器感应这个磁场，每个传感器可以输出0或者1，所以3个传感器可以输出，等3位数的不同组合，这些组合代表转子的不同位置。注意3号霍尔传感器在1号和2号之间。如上图，转子是用永磁铁做成，转子转动，3个霍尔传感器被触发或者断开，感应转子的位置，然后把位置信息告诉控制器，控制器以此来决定下一步哪些线圈通电，哪些不通电，简言之就是实现电子换相（ElectricalCommutation）。所以，这里的霍尔传感器起到沟通的作用，而这一点在有刷直流电机中，是用物理碳刷和机械换相器相互配合才得以实现。那么，让我们再具体一点，来看看三个霍尔传感器是如何感应转子的位置，然后告诉电机换相并实现连续旋转的。三相霍尔传感器式伺服电机如上图，一个磁极可以同时覆盖两个霍尔传感器，图中时刻，1号霍尔对准S极，而2号和3号霍尔对准N极，如果S极触发霍尔，N极熄灭霍尔，那么上图霍尔状态可以表示位置。我们再来看看更细节的情况，如下图。使电机顺时针转动：霍尔状态和线圈通电次序的关系，转子上S极附近有个小黑点，用来表示转子的转动方向。驱动器一次给两组线圈通电，另一组线圈不通电。按照惯例，电流流入的线圈在定子上产生北极磁场N，电流流出的线圈则在定子上产生南极磁场S。现在，想要实现顺时针旋转，如何使用霍尔状态，来切换线圈通电次序和通电方向？举例说明吧，比如霍尔感应是状态，也就是上面的第一张图时，那么这个时候告诉驱动器接通AB相，且电流从B相流入，A相流出。这样B线圈组形成N极，A线圈组形成S极。线圈N极和与其正对的转子N极相互排斥，并且吸引和它较近的转子S极，而线圈S极，则吸引转子N极，实现顺时针转动。同理，可以推导其他霍尔状态时，线圈应该如何通电。最后就形成如上图所示的6个霍尔状态，以及在此状态下线圈应该从哪个线圈流入，从哪个线圈流出的顺序图。上面这个图理解起来有点儿复杂。如果把霍尔时序和绕组通电顺序及方向，画在一张图上，就是下面这幅图，这个理解起来要轻松一点。基于霍尔状态，来进行电子换相，实现顺时针旋转理解了这两幅图，也就理解了无刷直流电机的工作原理，甚至是伺服电机的工作原理。4.未来电动车都会用直流电机吗？好了，上面的原理部分，我们可以找时间慢慢弄懂。现在，我们回到标题中的问题，未来的电动车都会用直流电机吗？纯电动车布局纯电动车使用感应电机驱动和制动其实现在，混合电动车还是被无刷直流电机主宰，而纯电动车则被感应电机主宰（关于感应电机，以后有机会我们再聊，今天就不喧宾夺主了）。感应电机在纯电动车上的普及使用，还是有它的优势的。第一，感应电机的效率=直流电机。感应电机在与智能逆变器一起使用时，可以优化磁损耗和传导损耗，从而优化效率。使用无刷直流电机时，随着机器尺寸的增加，磁损耗成比例增加，效率下降。使用感应电机，随着机器尺寸的增加，损耗不一定会增加。尽管感应电机峰值效率略低于无刷直流电机，但平均效率实际上可能更好。第二，成本方面，感应电机优于无刷直流电机。永磁体很贵，大约每公斤50美元。另外，永磁（PM）转子也很难处理，因为磁性太强，当任何铁磁靠近它时，都有很强大的吸引力。感应电机的磁场可调，虽然需要逆变器和更复杂的控制，但是成本似乎更低。那么未来的情况呢？这很难说，看科技的发展吧。如果我可以预测未来，那该多好！你说呢？

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