有刷电机的结构
下面是经常在模型中使用的有刷直流电机的外观，以及普通的两极（2个磁体）三槽（3个线圈）型电机的分解示意图。也许很多人都有拆卸电机、拿出磁铁的经验。
可以看到有刷直流电机的永磁体是固定的，有刷直流电机的线圈可以绕内部中心旋转。固定侧称为“定子”，旋转侧称为“转子”。
以下是表示结构概念的结构简图。
旋转中心轴的外围有三个换向器（用于电流切换的弯曲金属片）。为了避免彼此接触，换向器之间间隔120°（360°÷3枚）配置。换向器随着轴的旋转而旋转。
一个换向器连接有一个线圈端和另一个线圈端，并且三个换向器和三个线圈作为电路网形成一个整体（环形）（参见“换向器和线圈连接等效电路”）。
两个电刷（参见“有刷电机内部结构简图”）被固定在0°和180°处，以便与换向器接触。外部直流电源与电刷相连接，电流按电刷→换向器→线圈→电刷的路径流动。
有刷电机的旋转原理
下面介绍有刷电机的旋转原理。我将以静止的图像和文字来解释有刷电机的旋转原理的运动，所以还请您发挥想象力进行理解。
① 从初始状态逆时针旋转
线圈A在最上方，将电源连接到电刷，设左侧为（+），右侧为（-）。大电流从左电刷通过换向器流到线圈A。这是线圈A的上部（外侧）变为S极的结构。
而由于线圈A的电流的1/2从左电刷流向线圈B和线圈C的方向与线圈A相反，因此线圈B和线圈C的外侧变为弱N极（在图中用略小字母表示）。
这些线圈中产生的磁场以及磁体的排斥和吸引作用使线圈受到逆时针旋转的力。
② 进一步逆时针旋转
接下来，假设在线圈A逆时针旋转30°的状态下，右电刷与两个换向器接触。
线圈A的电流持续从左电刷流过右电刷，并且线圈的外侧保持S极。
与线圈A相同的电流流经线圈B，并且线圈B的外侧变为较强的N极。
由于线圈C的两端被电刷短路，所以没有电流流动，也没有磁场产生。
即使在这种情况下，也会受到逆时针旋转的力。
从③到④上侧的线圈持续受到向左动的力，下部的线圈持续受到向右动的力，并继续逆时针方向旋转
在线圈每30°旋转到③和④状态下，当线圈位于中心水平轴上方时，线圈的外侧变为S极；当线圈位于下方时变为N极，并且反复该运动。
换句话说，上侧线圈反复受到向左动的力，下侧线圈反复受到向右动的力（均为逆时针方向）。这使转子始终逆时针旋转。
如果将电源连接到相对的左电刷（-）和右电刷（+），则线圈中会产生方向相反的磁场，因此施加到线圈上的力的方向也相反，变为顺时针旋转。
此外，当断开电源时，有刷电机的转子会因没有了使之继续旋转的磁场而停止旋转。
有刷直流电机的发电原理
关于基本的发电原理，在这篇文章中通过相关定律/法则和公式进行了介绍。在本文中，我们将使用有刷直流电机的示意图来解释实际的电机发电原理。
假设在电刷未通电的状态下，线圈（转子）沿逆时针方向旋转。作为现实案例，有这种情况：当正在旋转的电机的电源被切断后，转子由于惯性而继续转动。
在①的状态下，线圈A位于磁体N和S的中间。由于磁体产生的磁场方向是从N到S，逆时针旋转使线圈A接近磁体N，因此，向旋转轴方向的磁通量变化在（+）处最大（粉红色箭头）。结果，线圈A产生电动势，该电动势使电流（紫色箭头）从旋转轴向外侧流动。
由于线圈B远离磁体N，线圈C靠近磁体S，因此磁通量的变化变为（-）（粉红色箭头），并且磁通量的变化值由于位置靠近磁体而小于最大值。结果，线圈B和线圈C产生电动势，该电动势使电流（紫色箭头）从外侧流向旋转轴。
当此时的线圈A、B、C的电动势合并时，相对于右电刷在左电刷中产生（+）电压。
当变为②的状态时，线圈B位于磁体N和S中间，并且由于其接近S，所以磁通量的变化在（-）处变为最大。结果，线圈B产生电动势，该电动势使电流从外侧流向旋转轴。
由于线圈A靠近磁体N，线圈C远离磁体S，所以磁通量的变化为（+），并且磁通量的变化值由于位置靠近磁体而小于最大值。结果，线圈B和线圈C产生电动势，该电动势使电流从旋转轴向外侧流动。
当此时的线圈A、B、C的电动势合并时，相对于电机右电刷在电机左电刷产生正电压。
综上所述，当线圈（转子）逆时针旋转时，相对于电机右电刷，总是在电机左电刷上产生（+）电压。如果线圈顺时针旋转，则会因反向动作而在电机右电刷上产生（+）电压。产生的电压被换向器整流成直流电压，并且发电电压会随着转速的增加而提高。不言而喻，发电机就是基于这一原理制造的。
有刷直流电机短路制动
对于有刷直流电机，可以使电刷之间短路以施加制动，从而在电源关断后快速停止因惯性而旋转的转子。
在电刷断开电源并且线圈（转子）仍沿逆时针方向旋转的状态下，将电刷之间短路。
在①的状态下，如上一篇发电原理中所述，左电刷相对于右电刷会产生（+）电动势，所以会因电刷短路而有电流流过。结果，线圈A的外侧变为N，线圈B和线圈C的外侧变为S。
在过渡到②状态后也同样有电流流过，线圈B的外侧变为S，线圈A和线圈C的外侧变为N。
当以这种方式使有刷直流电机电刷之间短路时，会产生与当时旋转方向相反的旋转力（实心黑色箭头），并且会变为使原旋转停止的制动动作，称之为“短路制动”。
随着有刷直流电机电流的增加，停止该旋转的力增大，因此，当有刷直流电机转速较高时，将施加较强力的制动；当有刷直流电机转速降低时，制动将变弱，而当有刷直流电机旋转停止时，制动将变为零。
直到上一篇文章都介绍的是有刷直流电机的原理。本文将介绍有刷直流电机的基本特性。
有刷直流电机的特性
简而言之，当将电源电压施加到有刷直流电机时，电流流动并且有刷直流电机旋转。电源电压、转速和转矩等特性之间都是彼此相关的。下面使用有刷直流电机的等效电路和公式进行说明。
●闭合电路直流关系表达式：
＊Ea：电源电压，R：电枢电阻，Ia：电机电流，
Ec：电机感应电压
电源电压Ea是电枢电阻R与电机电流Ia相乘的值再加上感应电压Ec而得到的值。电枢电阻是绕组和铁芯的电阻分量。欧姆定律本身就是电阻×电流等于电压。感应电压是由电机的旋转产生的电压（发电），是新增的电压。
●有刷直流电机 等效电路电机感应电压：
＊Ec：电机感应电压，Ke：反电动势系数，N：转速
电机的感应电压Ec是反电动势常数Ke乘以转速N而获得的值。因此，电机的感应电压与转速成正比。
●电机转矩：
＊T：转矩，Kt：转矩常数，Ia：电机电流
电机的转矩T是转矩常数Kt乘以电机电流Ia而获得的值。因此，电机转矩与电流成正比。
●转速和转矩之间的关系：
该公式汇总了上述电机感应电压和转矩的公式，并给出了转速N和转矩T之间的关系。通过公式可以看出，因为Ke和Kt是常数，所以1）当施加扭矩T时，转速N以恒定值减小，并且2）当扭矩T恒定时，转速N与电源电压Ea成正比地增加。
右图中汇总了上面的关系。转矩-转速（T-N）特性是当施加转矩时转速以恒定值减小，也就是成反比。另外，当提高电源电压时，施加到电机的电压将增加，转速提高。当转速为零时转矩最大。
转矩-电流（T-I）特性是当施加转矩时，电机电流以恒定值增加，即与施加的转矩成正比。在最大转矩时，也就是转速为零时，电机电流最大。
在驱动电机时，应基于该关系来考虑驱动条件。
电机参数的单位
由于在前面的说明中提到了一些电机参数，所以在此列出这些电机参数的常用单位。
转速N：min-1，rpm，rad/s
转矩T：N・m
反电动势系数Ke：V・s/rad，V/rpm
转矩常数Kt：N・m/A
有些电机参数有多个单位表示法，但是作为将电能转换为机械能时的单位，需要按照粗体显示的单位N·m、rad / s、V·s / rad来统一。
来源：techclass.rohm
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