本文作者：龐佳

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“電動(dòng)工具我該買有刷的還是無刷的？”

“這個(gè)牌子的電機(jī)功率更大，而且更便宜，值不值得買？”

“相同功率的感應(yīng)電機(jī)，為什么單相的比三相的還要貴？”

作為一名工具控，我經(jīng)常會(huì)給親朋好友維修手頭的電動(dòng)工具，也常常會(huì)被問到以上問題。

電機(jī)，作為電動(dòng)工具的核心，是大家非常關(guān)心的一個(gè)東西，為了讓大家正真了解電動(dòng)工具中常用電機(jī)的原理與特性，我打算寫一篇簡單的文章，同時(shí)也好讓大家能夠自行挑選適合自己的電動(dòng)工具，或者在電動(dòng)工具出現(xiàn)故障的時(shí)候，能夠進(jìn)行簡單的修理。

下面，我會(huì)以一個(gè)工具維修者的身份，結(jié)合各類電機(jī)在電動(dòng)工具中的特性，通過三個(gè)要點(diǎn)來進(jìn)行電機(jī)原理進(jìn)行說明。

一、電機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)？

二、電機(jī)是怎么換向的？

三、電機(jī)是怎么調(diào)速的？

在進(jìn)行原理說明之前，我們先對(duì)電動(dòng)工具中常用的電機(jī)進(jìn)行分類。

有刷電機(jī)

無刷電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)

我們常說的有刷、無刷和感應(yīng)電機(jī)，分別對(duì)應(yīng)著以上不同類型。

我們先從有刷電機(jī)開始說起。

有刷電機(jī)轉(zhuǎn)子

在電動(dòng)工具中，有刷電機(jī)是目前使用量最多的一類，從小功率的手電鉆、電磨，到大功率的切割機(jī)、電鏈鋸等，都能看到它們的身影。

其中，永磁有刷直流電機(jī)，常用于便攜式的充電電動(dòng)工具中；而串激電機(jī)，則多用于插電的電動(dòng)工具中。

使用永磁有刷直流電機(jī)的手電鉆

使用串激電機(jī)的手電鉆

永磁有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，性能穩(wěn)定可靠，并且換向和調(diào)速電路也相對(duì)簡單。

那么，我們先來看第一個(gè)問題。

Q1：永磁有刷直流電機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)？

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

上圖展示了一個(gè)永磁有刷直流電機(jī)的最簡單的形式，A、B、C三級(jí)電樞繞組呈120度環(huán)形排列，外圍設(shè)置兩片瓦形磁鋼。電流通過電刷與整流子（換向器）接觸，將電流引入電樞繞組。

當(dāng)電源接通時(shí)，電樞繞組會(huì)像電磁鐵一樣產(chǎn)生磁場(chǎng)，同時(shí)和外圍的瓦型磁鋼產(chǎn)生相互作用。根據(jù)磁場(chǎng)同性相斥，異性相吸的原理，電樞會(huì)繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)，每一極電樞繞組，都會(huì)交替與外圍磁鋼產(chǎn)生一吸一斥的作用，完成120度的轉(zhuǎn)動(dòng)。在換向器的作用下，周而復(fù)始，形成連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。

【永磁有刷直流電機(jī)的換向】

永磁有刷直流電機(jī)的換向有兩種方式：

第一，改變外圍磁鋼（定子）的極性。

第二，改變輸入電流的方向。由于磁鋼為永磁體，且以定子的形式放置，因此，永磁有刷直流電機(jī)的換向基本都使用改變電流方向的方式來實(shí)現(xiàn)。

一種直流調(diào)速開關(guān)總成

一種換向器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

換向示意圖

【永磁有刷直流電機(jī)的調(diào)速】

在電動(dòng)工具中，永磁有刷直流電機(jī)的調(diào)速基本都采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）的方式。使用MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)管）作為功率器件。

PWM直流調(diào)速電路

圖中555芯片組成的電路，用來產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)電機(jī)進(jìn)行功率控制。

PWM直流調(diào)速波形

PWM（脈沖寬度調(diào)制）直流電機(jī)調(diào)速，簡單的來說，就是控制電機(jī)得電與失電的時(shí)間長短。

在一個(gè)周期內(nèi)，電機(jī)得電的時(shí)間越短，失電的時(shí)間越長，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越慢，反之，電機(jī)得電的時(shí)間越長，失電的時(shí)間越短，電機(jī)的速度就越快。

Q2：串激電機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

串激電機(jī)與永磁直流有刷電機(jī)相似，不同的是其定子由永磁體變成了電磁體。串激電機(jī)的定子，也含有線圈，并且線圈同電刷串聯(lián)在一起，因此叫串激（勵(lì)）電機(jī)。

【串激電機(jī)的換向】

串激電機(jī)定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈是串聯(lián)在一起的，當(dāng)改變外部電源極性的時(shí)候，定子和轉(zhuǎn)子的極性會(huì)同時(shí)改變，因此，即使改變電源的極性，串激電機(jī)也不會(huì)換向。

也正因?yàn)檫@個(gè)特性，使得串激電機(jī)在通入直流或者交流電源時(shí)，都能正常工作（我想，國外把串激電機(jī)叫做通用電機(jī)Universal Motor，也是這個(gè)原因）。

串激電機(jī)換向電路

博世TBM1000手電鉆換向器

那么，串激電機(jī)的換向要怎么實(shí)現(xiàn)呢？

其實(shí)，方法也很簡單。既然定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈串聯(lián)在一起，那么，我們只要改變定子線圈與轉(zhuǎn)子線圈的串聯(lián)方式，就可以改變串激電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向了。

我們常用的手電鉆上都有一個(gè)換向開關(guān)，對(duì)于使用串激電機(jī)的手電鉆（一般插電的都是），當(dāng)我們撥動(dòng)換向開關(guān)的時(shí)候，就改變了定子與轉(zhuǎn)子的串聯(lián)方式，串激電機(jī)就會(huì)按照相反的方向運(yùn)轉(zhuǎn)。

【串激電機(jī)的調(diào)速】

雖然永磁直流有刷電機(jī)的換向方式，不能用在串激電機(jī)上，但是它的調(diào)速方式，在串激電機(jī)上是有效的。

不過由于串激電機(jī)大多使用220V交流電，因此，串激電機(jī)有更加簡單可靠的方式——交流斬波調(diào)速法。使用的功率器件為可控硅。

串激電機(jī)常用調(diào)速電路

一種串激電機(jī)調(diào)速開關(guān)總成

串激電機(jī)的調(diào)速器在結(jié)構(gòu)上和直流電機(jī)的類似，只不過由于功率器件換成了可控硅，因此，電路更加簡單。

圖中T1為雙向可控硅，VD為雙向觸發(fā)二極管，RP為帶開關(guān)滑動(dòng)電阻（對(duì)應(yīng)電動(dòng)工具上的按壓開關(guān)）。電路上電時(shí)，C1兩端電壓不能突變，電流經(jīng)R1、RP給C1充電，當(dāng)達(dá)到VD的觸發(fā)電壓時(shí)，VD導(dǎo)通，T1導(dǎo)通，此時(shí)有電流流過電機(jī) M。當(dāng)VD導(dǎo)通后，C1隨著交流電的周期放電，當(dāng)C1兩端電壓低于VD觸發(fā)電壓時(shí)，VD斷開，T1在交流電的過零點(diǎn)截至。

在一開一關(guān)中，相當(dāng)于把電流給斬?cái)嗔恕Ｕ{(diào)節(jié)電位器RP，可以改變電容C1的充電速度，于是，就改變了T1的開與關(guān)時(shí)間長短。在一個(gè)周期內(nèi)，開的時(shí)間越長，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，反之，電機(jī)轉(zhuǎn)速越低。

所以，在電機(jī)速度很低的時(shí)候，由于可控硅開的時(shí)間很短，我們甚至可以聽見電機(jī)發(fā)出“噠噠噠”的聲音。

好了，由于篇幅的關(guān)系，我們今天就暫時(shí)說到這里。有關(guān)無刷直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，我們會(huì)在后續(xù)的文章中進(jìn)行說明。

想深入了解電機(jī)原理的朋友，我們還可以一起探討以下兩個(gè)問題：

1、使用串激電機(jī)的手電鉆在接入直流電源時(shí)，是否還能調(diào)速？

2，改變交流電源的頻率，能否改變串激電機(jī)的速度？

本文主要面向工具愛好者，有說的不對(duì)的地方，還請(qǐng)大家多多指教。也歡迎感興趣的朋友歡迎在下方給我們留言。

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