有刷直流電動(dòng)機(jī)的基本原理當(dāng)然是將電能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)。它通過(guò)磁鐵之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其中之一通常是通過(guò)使電流流過(guò)鐵氧體磁芯周圍的電線來(lái)產(chǎn)生的。流過(guò)導(dǎo)線的電流產(chǎn)生第二磁場(chǎng)。這與主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生一個(gè)反向力，移動(dòng)電機(jī)的一部分，通常導(dǎo)致它繞軸旋轉(zhuǎn)。

　有刷直流電機(jī)由四個(gè)關(guān)鍵部件組成；固定磁鐵（稱為定子）、轉(zhuǎn)子、換向器和電刷（見圖）。

　轉(zhuǎn)子由一個(gè)或多個(gè)繞組纏繞在由黑色金屬（通常是鐵）制成的磁芯上組成，并通過(guò)金屬電刷連接到電源。當(dāng)通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)送電流時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子的磁場(chǎng)相互作用并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的力。定子可以是永磁體或電磁體，具體取決于任何特定應(yīng)用的要求。

　這一切都很好，但如果只使用普通電線將轉(zhuǎn)子繞組連接到電源，一旦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)得足夠遠(yuǎn)，它的磁力就會(huì)有效地反轉(zhuǎn)方向所以轉(zhuǎn)子只會(huì)來(lái)回移動(dòng)，而不是旋轉(zhuǎn)一個(gè)方向。

　為了解決這個(gè)問(wèn)題，使用換向器，換向器是圍繞轉(zhuǎn)子軸的導(dǎo)電銅套，在物理和電氣上分為多個(gè)部分。當(dāng)換向器旋轉(zhuǎn)時(shí)，它通過(guò)電刷連接和斷開這些段，為不同的段對(duì)供電。這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)180時(shí)磁場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。

　無(wú)刷直流電機(jī)替代解決方案：

　顧名思義，無(wú)刷直流電機(jī)沒有電刷。相反，它使用電子控制電路中的晶體管來(lái)為轉(zhuǎn)子的電線施加和移除電力，從直流電源產(chǎn)生交流電以在每個(gè)半周期反轉(zhuǎn)電流，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

　無(wú)刷直流電機(jī)通常比有刷電機(jī)更平穩(wěn)、更高效，具有更高的扭矩功率比，并提供更高的速度和更精確的控制。由于電刷或換向器沒有磨損，它們需要的維護(hù)更少，使用壽命更長(zhǎng)。然而，無(wú)刷電機(jī)的主要缺點(diǎn)之一是成本：電機(jī)本身以及所需的更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。

　為提供連續(xù)運(yùn)動(dòng)，無(wú)刷電機(jī)的控制器會(huì)在電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)180度或另一個(gè)固定量（例如三相電機(jī)的120度）時(shí)反轉(zhuǎn)電流的方向或相位。

　改變控制電壓可以使用模擬組件實(shí)現(xiàn)，或者使用FPGA或微控制器以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。控制電路需要知道電機(jī)的相對(duì)角位置，以便它可以在正確的時(shí)間激活正確的相位。這可以通過(guò)使用傳感器、光學(xué)編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者在沒有傳感器的情況下通過(guò)從磁場(chǎng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)推斷旋轉(zhuǎn)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在任何一種情況下，都經(jīng)常使用一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它將所需的功能集成到單個(gè)芯片中。

　有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路：

　如上所述，有刷電機(jī)不需要外部控制器，因?yàn)榇艌?chǎng)極性的變化是通過(guò)電刷通過(guò)繞組接通和斷開電通路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而實(shí)現(xiàn)單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

　對(duì)于某些應(yīng)用程序，這已經(jīng)足夠了。但是如果想要能夠改變電機(jī)的速度，或者反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向，就需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。這可以很簡(jiǎn)單，只需反轉(zhuǎn)電流方向，使電機(jī)轉(zhuǎn)向另一方向即可。

　要改變速度，可以使用分壓器改變電壓速度與電壓成正比。然而，以這種方式降低電壓效率低下，因?yàn)榉謮浩鞑粫?huì)降低總電流。為了克服這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)常使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)，它涉及快速關(guān)閉和打開電流以降低電機(jī)兩端的平均電壓。

　讓看一個(gè)簡(jiǎn)單的單向應(yīng)用程序示例，例如玩具。為此，只需要一個(gè)晶體管和一個(gè)反激式二極管，它們提供了一條途徑來(lái)消散反電動(dòng)勢(shì)，否則可能會(huì)造成損壞（見圖）。為了使速度可變，需要一個(gè)可以提供所需功率并可以通過(guò)控制信號(hào)打開和關(guān)閉的晶體管。

　如果需要改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，可以使用H橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，之所以這樣稱呼是因?yàn)樗褂盟膫€(gè)晶體管來(lái)控制電流（見圖）。當(dāng)兩個(gè)晶體管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流從左到右流過(guò)電機(jī)（圖中標(biāo)記為BDC），使其旋轉(zhuǎn)。關(guān)閉Q1和Q4并打開Q2和Q3，會(huì)使電流從右向左流過(guò)電機(jī)，從而使其沿相反方向旋轉(zhuǎn)。圖中還表明，仍然需要為每個(gè)晶體管配備一個(gè)反激二極管，就像前面討論的單晶體管電路一樣。實(shí)際上，晶體管的體二極管提供了這種功能。

　有刷直流電機(jī)可能看起來(lái)不如無(wú)刷電機(jī)那么迷人，但它們提供可靠、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的性能，需要不太復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路將總體成本保持在最低水平。