有些原理，讲着讲着自己也就相信了

有刷直流电机太普通不过了，在很多电动工具和玩具中都大量存在。它的工作原理也很简单，在初中课本中就讲过。

^{▲ 直流有刷电机}

几乎每个使用过直流有刷电机的人都坚定自己完全明白并且已经掌握了它的工作原理，甚至还可以给别人讲出它的道理。

这些原理无论怎么讲，模式几乎是一样的。无论是绘制静态的原理图，还是使用动图，甚至是3D图形，实际上所讲解的道理都是一个模子倒出来的，之所以这么讲，因为这样讲解比较简单，而不是说它一定正确。

没错，我们是这么听来的，也是这么理解直流电机。直到有一天，当你拆开了一个直流电机，发现自己好像被骗了。

电机外壳、内部的磁铁、换流的电刷都和课堂上讲的几乎一模一样。

^{▲ 直流电机外壳、定子、电刷}

如果注意到电刷的位置，它也是分别处在电机定子上永磁铁的NS极对应的中轴线上。这与前面讲解原理都是相同的。

^{▲ 直流有刷电机电刷}

那么到底哪里出了问题？对，问题出在转子的结构上，怎么和原来讲的不一样了呢？

首先，转子不再是空心的线圈，而是由导磁很强的硅钢片压叠而成的实心磁钢，并分成三个磁极，线圈是缠绕在磁极上的。。

其次，线圈不再是一个线圈，而是三个线圈。

^{▲ 直流有刷电机转子}

再者，那就是换流环，它就像兔子的嘴一样，也是分成三瓣的。

^{▲ 直流有刷电机换流环}

三个绕组是串联在一起，形成三角形连接方式。然后三个公共端分别连接在换流环的上。

换流环的缝隙正对着线圈的中心线，这一点倒是与前面简单原理图所讲解的是一致的。

^{▲ 直流有刷电机换流环}

除了转子呈现奇怪的三瓣之外，电机定子上的永磁铁也与传统讲解原理图有区别。

永磁铁呈现为两个半圆形，紧靠在电机圆形外壳上。看到这，很难相信它能够形成平行的磁场。最起码在靠近磁铁区域的磁场应该呈现指向圆心的方向，而不是平行磁场。

难道就没有按照实际直流电机构造来讲解原理的吗？

是有的，但是讲解的不清楚。比如下面的动图将实际电机转子线圈连接关系绘制的很清楚，但转子的几何结构与实际电机相差很大。

下面的动图倒是将转子的几何结构表现的很好，但将电刷的位置绘制错了。电刷应该与定子NS磁极平行。

实际的直流有刷电机之所以不能够按照初中教科书中介绍的原理那样制作，是因为那样的电机有诸多的缺陷，这些缺陷在初中课本上是不讲的。

首先，借助于转子磁钢，可以大大减少转子线圈的磁阻，在相同的转子电流的作用下，转子的磁通量大大增加，提高了转矩，近而减少了铜损。

使用硅钢片压叠而成转子磁钢可以降低涡流带来的铁损。

^{▲ 直流电机的电刷}

其次，使用三个线圈替代单个线圈，是为了消除机械力矩死点。在换流时，转子磁场与定子磁场平行，此时力磁力矩为零，此时电机无法启动。使用三个线圈，则不会有力矩平衡点。

按照初中书中介绍的直流电机原理，转子线圈是在平行磁场内旋转。那么通过线圈的磁通量的变化应该是随着旋转角度呈现正弦变化，由此所产生的感应电动势则应该是正弦电压。

^{▲ 实际的电刷没有毛，但是有齿。} ^{▲ 在齿的中间还有被换流环磨出的凹槽}

但实际的直流电机转子线圈里的磁场变化是随着时间线性增加和线性减少的，由此在线圈里产生的感应电动势是直流电压，这与外部施加的直流驱动电压是一样的。

之所以直流电机转子线圈内的磁通量是线性变化，这是由于两片定子磁铁呈现圆形分布在电机外壳，磁铁表面的磁场强度是均匀的。

当转子的一个磁极经过两片定子磁铁NS分界线的时候，流入磁极和流出磁极的磁通量随着转子角度旋转而发生线性的增加或者减少，近而使得该磁极上的线圈内的磁通量发生线性变化，此时线圈内感应电动势就是一个直流电压。

当某一个磁极正对着每一个磁铁的时候，通过该磁极的磁通量不发生变化，此时该线圈内没有感应电动势。请注意，电刷的位置正是对着NS磁极，所以此时进行换流，即使电刷同时接触两片换流环的电极，由于对应的线圈内没有感应电动势，因此也不会造成在换流时产生短路电流。

初中课本上讲解的直流电机原理虽然与实际电机工作情况不同，但也只能这样讲，这与初中学生认知水平是相符和的。

如果现在再给初中学生讲解直流电机工作原理，我也只能按照教科书上那么讲。而且有一个幻觉，讲着讲着自己也就相信了。

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