电动工具为何偏爱有刷电机？

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电动工具为何偏爱有刷电机？

手电钻、角磨机等电动工具为何多采用有刷电机而非无刷电机？这背后的原因并非三言两语能道尽。

直流电机，包括有刷电机和无刷电机，其中“刷”指的是碳刷。那么，碳刷究竟是何方神圣，长什么模样呢？

那直流电机为何要依赖碳刷呢？碳刷的存在究竟带来了怎样的变化？接下来，让我们一起探寻其中的奥秘。

直流有刷电机的原理可以这样理解

在图1所示的模型中，我们能看到两个固定的异性磁铁，它们中间设置了一个线圈。这个线圈的两端分别与两个半圆形的铜环相连，而铜环的两端则与固定的碳刷相接触。通过给碳刷两端施加直流电源，电机便能开始运转。

接通电源后，电流的方向如图1中箭头所示。依据左手定则，黄色线圈将受到一个垂直向上的电磁力，而蓝色线圈则受到一个垂直向下的电磁力。这些力的作用使得电机转子开始以顺时针方向旋转。当转子旋转90度后，其状态如图2所示：

此时，碳刷恰好处于两个铜环的中间空隙位置，导致整个线圈回路中电流中断。然而，由于惯性作用，转子仍会持续旋转。

转子在惯性的推动下，继续其顺时针的旋转，直至它再次转过90度，达到图4所示的位置。此时，碳刷恰好又位于两个铜环的中间空隙，导致线圈回路中的电流再次中断。然而，转子并不会因此而停止旋转，而是继续借助惯性力量进行旋转。这一过程将持续不断地重复，形成了一个循环。

接下来，我们来看看直流无刷电机的结构。

如图5所示，该电机主要由定子和转子两部分构成。转子上配备了一对磁极，而定子上则绕制了多组线圈，图中清晰展示了其中的6组。

当我们在定子线圈2和5中通入电流时，这两个线圈会产生磁场。此时，定子的作用类似于一个条形磁铁，其中线圈2为S（南）极，而线圈5为N（北）极。由于同性磁极之间存在吸引力，因此转子的N极会被吸引至线圈2的位置，同时转子的S极则会被吸引至线圈5的位置，如图6所示。

在撤掉定子线圈2和5的电流后，我们接着给定子线圈3和6通入电流。这样一来，线圈3和6便会产生磁场，使得定人再次发挥条形磁铁的作用，其中线圈3成为S（南）极，而线圈6成为N（北）极。基于同性磁极间的吸引力，转子的N极将朝向线圈3的位置移动，同时转子的S极则将朝向线圈6的位置移动，整个过程如图7所示。

同样地，当我们撤掉定子线圈3和6的电流后，再给定子线圈4和1通入电流时，线圈4和1将产生磁场，使得定人再次发挥条形磁铁的作用。此时，线圈4成为S（南）极，而线圈1成为N（北）极。由于异性磁极间的相互吸引力，转子的N极将朝向线圈4的位置移动，同时转子的S极将朝向线圈1的位置移动。这一系列动作使得电机完成了半圈的旋转。接下来的后半圈旋转，其原理与前半圈相同，因此我们在这里不再赘述。简而言之，直流无刷电机的工作原理，可以形象地比喻为在一头驴的前方放置一个胡萝卜，这样驴就会一直追逐着胡萝卜的方向前进。

那么，如何实现不同时刻对不同线圈的准确电流输入呢？这恰恰是电流换向电路的职能所在。关于这一部分的详细原理，此处不再赘述。

优缺点详解

直流有刷电机以其启动迅速、制动及时、调速平稳以及结构简单、价格亲民而备受瞩目。特别值得一提的是，其启动电流强大，在低速时能提供大扭矩，非常适合驱动重负荷。

然而，直流有刷电机也存在一些不足之处。由于碳刷与换向片之间的摩擦，使用过程中容易产生火花、发热、噪音，并对周围环境造成电磁干扰。同时，其效率相对较低，寿命也受到碳刷损耗的影响，需要定期更换，增加了维护成本。

直流无刷电机以其显著的优势吸引了众多关注。首先，由于去除了碳刷设计，该电机在运行过程中噪音明显降低，同时减少了维护需求，使得故障率保持在较低水平。此外，其使用寿命得以显著延长，且运行时间和电压的稳定性也大大提高，从而降低了对无线电设备的干扰。然而，直流无刷电机也存在一个明显的缺点，那就是其价格相对较高。

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电动工具已成为我们日常生活中不可或缺的一部分，其种类繁多且竞争激烈。价格敏感度是消费者在选择电动工具时的重要考量之一。此外，由于电动工具需要承受沉重的负荷，因此启动转矩的要求非常高，例如手电钻和冲击钻等。若电机启动转矩不足，在钻孔过程中就可能出现钻头卡住而无法转动的情况。

试想，有刷直流电机以其价格亲民、启动转矩强劲以及能够承受重负荷而受到青睐；然而，无刷电机虽然故障率低、寿命更长，但价格相对较高，且在启动转矩方面明显逊于有刷电机。面对这样的选择，相信大多数人都会倾向于选择前者。