本文作者：庞佳
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“电动工具我该买有刷的还是无刷的？”
“这个牌子的电机功率更大，而且更便宜，值不值得买？”
“相同功率的感应电机，为什么单相的比三相的还要贵？”
作为一名工具控，我经常会给亲朋好友维修手头的电动工具，也常常会被问到以上问题。
电机，作为电动工具的核心，是大家非常关心的一个东西，为了让大家正真了解电动工具中常用电机的原理与特性，我打算写一篇简单的文章，同时也好让大家能够自行挑选适合自己的电动工具，或者在电动工具出现故障的时候，能够进行简单的修理。
下面，我会以一个工具维修者的身份，结合各类电机在电动工具中的特性，通过三个要点来进行电机原理进行说明。
一、电机为什么会转？
二、电机是怎么换向的？
三、电机是怎么调速的？
在进行原理说明之前，我们先对电动工具中常用的电机进行分类。
有刷电机
无刷电机
感应电机
我们常说的有刷、无刷和感应电机，分别对应着以上不同类型。
我们先从有刷电机开始说起。
有刷电机转子
在电动工具中，有刷电机是目前使用量最多的一类，从小功率的手电钻、电磨，到大功率的切割机、电链锯等，都能看到它们的身影。
其中，永磁有刷直流电机，常用于便携式的充电电动工具中；而串激电机，则多用于插电的电动工具中。
使用永磁有刷直流电机的手电钻
使用串激电机的手电钻
永磁有刷直流电机结构简单，制造成本低，性能稳定可靠，并且换向和调速电路也相对简单。
那么，我们先来看第一个问题。
Q1：永磁有刷直流电机为什么会转？
图片来源于网络
上图展示了一个永磁有刷直流电机的最简单的形式，A、B、C三级电枢绕组呈120度环形排列，外围设置两片瓦形磁钢。电流通过电刷与整流子（换向器）接触，将电流引入电枢绕组。
当电源接通时，电枢绕组会像电磁铁一样产生磁场，同时和外围的瓦型磁钢产生相互作用。根据磁场同性相斥，异性相吸的原理，电枢会绕中心轴转动。
在一个转动周期内，每一极电枢绕组，都会交替与外围磁钢产生一吸一斥的作用，完成120度的转动。在换向器的作用下，周而复始，形成连续的旋转。
【永磁有刷直流电机的换向】
永磁有刷直流电机的换向有两种方式：
第一，改变外围磁钢（定子）的极性。
第二，改变输入电流的方向。由于磁钢为永磁体，且以定子的形式放置，因此，永磁有刷直流电机的换向基本都使用改变电流方向的方式来实现。
一种直流调速开关总成
一种换向器内部结构
换向示意图
【永磁有刷直流电机的调速】
在电动工具中，永磁有刷直流电机的调速基本都采用PWM（脉冲宽度调制）的方式。使用MOSFET（场效应管）作为功率器件。
PWM直流调速电路
图中555芯片组成的电路，用来产生PWM（脉宽调制）信号，然后驱动MOSFET场效应管对电机进行功率控制。
PWM直流调速波形
PWM（脉冲宽度调制）直流电机调速，简单的来说，就是控制电机得电与失电的时间长短。
在一个周期内，电机得电的时间越短，失电的时间越长，电机转速就越慢，反之，电机得电的时间越长，失电的时间越短，电机的速度就越快。
图片来源于网络
串激电机与永磁直流有刷电机相似，不同的是其定子由永磁体变成了电磁体。串激电机的定子，也含有线圈，并且线圈同电刷串联在一起，因此叫串激（励）电机。
串激电机定子线圈和转子线圈是串联在一起的，当改变外部电源极性的时候，定子和转子的极性会同时改变，因此，即使改变电源的极性，串激电机也不会换向。
也正因为这个特性，使得串激电机在通入直流或者交流电源时，都能正常工作（我想，国外把串激电机叫做通用电机Universal Motor，也是这个原因）。
串激电机换向电路
博世TBM1000手电钻换向器
那么，串激电机的换向要怎么实现呢？
其实，方法也很简单。既然定子线圈和转子线圈串联在一起，那么，我们只要改变定子线圈与转子线圈的串联方式，就可以改变串激电机的运转方向了。
我们常用的手电钻上都有一个换向开关，对于使用串激电机的手电钻（一般插电的都是），当我们拨动换向开关的时候，就改变了定子与转子的串联方式，串激电机就会按照相反的方向运转。
虽然永磁直流有刷电机的换向方式，不能用在串激电机上，但是它的调速方式，在串激电机上是有效的。
不过由于串激电机大多使用220V交流电，因此，串激电机有更加简单可靠的方式——交流斩波调速法。使用的功率器件为可控硅。
串激电机常用调速电路
一种串激电机调速开关总成
串激电机的调速器在结构上和直流电机的类似，只不过由于功率器件换成了可控硅，因此，电路更加简单。
图中T1为双向可控硅，VD为双向触发二极管，RP为带开关滑动电阻（对应电动工具上的按压开关）。电路上电时，C1两端电压不能突变，电流经R1、RP给C1充电，当达到VD的触发电压时，VD导通，T1导通，此时有电流流过电机 M。当VD导通后，C1随着交流电的周期放电，当C1两端电压低于VD触发电压时，VD断开，T1在交流电的过零点截至。
在一开一关中，相当于把电流给斩断了。调节电位器RP，可以改变电容C1的充电速度，于是，就改变了T1的开与关时间长短。在一个周期内，开的时间越长，电机转速越快，反之，电机转速越低。
所以，在电机速度很低的时候，由于可控硅开的时间很短，我们甚至可以听见电机发出“哒哒哒”的声音。
好了，由于篇幅的关系，我们今天就暂时说到这里。有关无刷直流电机和感应电机，我们会在后续的文章中进行说明。
想深入了解电机原理的朋友，我们还可以一起探讨以下两个问题：
1、使用串激电机的手电钻在接入直流电源时，是否还能调速？
2，改变交流电源的频率，能否改变串激电机的速度？
本文主要面向工具爱好者，有说的不对的地方，还请大家多多指教。也欢迎感兴趣的朋友欢迎在下方给我们留言。
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