Vol.089 如何打造一款强劲的马达

当代生活离不开马达。

你家里的吹风机、剃须刀、电风扇，乃至你手里会震动的手机，今天几乎所有插上电能动的机器，里面都少不了马达。

这些马达是怎么工作的？如何打造一款强劲的马达？

从 1834 年第一台马达诞生至今，虽然结构越来越复杂，但这些马达的核心工作原理没有任何变化。

这是一个基础的有刷直流马达。内部有两个固定的磁体，分为 N 极和 S 极，称为“定子”；中间是“转子”，主要由硅钢片叠成的铁芯和线圈构成。

线圈是由一根包有塑料外壳的铜线以特定方向卷绕铁芯两端而成，当接入电源，线圈内的电流会呈逆时针流动。

根据电磁感应原理，通电导线会产生磁场，而安培右手螺旋定则又告诉我们，将四指弯曲顺着电流方向，拇指所指的就是 N 极，另一端则是 S 极。

所以由于异性相吸、同性相斥，此时转子就会开始旋转。但转到水平位置时，转子两端与两块磁体的吸引力相等，就会逐渐停止运动。

怎样才能让转子继续转动？这就要靠换向片和电刷。

换向片是两个弧形铜片，固定在转子上，连着线圈，而石墨制成的电刷则紧贴着换向片，固定在马达外壳上，连着电源。

当电源开启，电流会经过电刷、换向片流入线圈，让转子像之前一样开始转动。

而到达水平位置时，两个电刷将正好处于换向片的空隙，让电路断开，线圈失去磁性。转子会在惯性作用下继续转动，让电刷与另一个换向片接触通电，改变线圈内的电流方向，导致转子两端的磁性也随之改变，从而继续转动。

不过，这种基础款马达的转子只有两组线圈，经过不同位置时，磁场不同，转动时会忽快忽慢。

增加线圈和换向片的数量可以有效提升稳定性和转速。比如你小时候最爱的旋风冲锋，里面马达的转子就有三组线圈和三个换向片，在转动时，线圈的磁性也会变得更频繁。

这颗田宫的 Plasma-Dash 马达，最高转速可达每分钟 28000 转，足以让你跟小烈小豪一起做兄弟。

那么这种马达的转速还可以再提高吗？

我们知道，马达的电压、电流和做功效率的乘积等于最终的输出功率，而输出功率又等于转矩，即转动时的力量大小，和转速的乘积。理论上我们只要不断提高电压电流，就能无限加快马达转速。

但今天的有刷直流马达每分钟 50000 转已是极限，而制约其性能的恰恰是马达中至关重要的电刷。

为了导电，电刷必须与转子上的换向片接触，摩擦造成的动力损失在所难免，且石墨制成的电刷在高速摩擦时会产生剧烈火花，实际使用时，很可能把你的电吹风直接变成火焰喷射器。

解决这个致命缺陷的唯一办法就是去掉电刷。

这是一个永磁无刷直流马达。它的转子是一个圆柱形磁体，外侧有三个由线圈组成的定子。定子上装有传感器，通常是霍尔元件，在转子磁极靠近时会被激活，并转化成六种不同状态的电信号控制定子线圈电流。

比如转子在这个位置时，靠近 N 极的 2、3 霍尔元件会被激活，控制器就会导通两个线圈，使线圈 B 磁化为 S 极，线圈 C 磁化为 N 极，吸引转子旋转。

等转子转到这个位置时，只有 2 号霍尔元件被激活，控制器就会导通线圈 A、C，前者磁化为 S 极，后者磁化为 N 极，继续牵引转子旋转。不断变换线圈的通电情况，转子就能不停地转下去，这就是无刷直流电机的工作原理。

这种马达转的能有多快呢？

今天我们在市面上能找到最快的马达，是戴森配置在吸尘器上的 V11 马达，每分钟可转 125000 圈，是传统的有刷直流马达根本无法企及的转速，这不仅归功于无刷马达本身的结构优势，还依靠戴森在马达的材质与设计上做到了极致。

首先，V11 马达中的线圈采用了八极设计，每秒可以切换 16000 次磁场，配合高性能的处理器芯片，让转子能更稳定高速地旋转。

其次，马达上用于传输动力的中心轴必须能承受高强度的旋转，如果像大多数马达那样选择钢轴，在高速旋转时会形成一条 3 微米的曲线，而即便是这样的偏差都可能引发破坏性的振动。所以戴森使用的是经过 1600 ℃ 高温固化的陶瓷轴，密度仅有钢的一半，却比钢硬两倍。

此外，戴森还使用聚醚醚酮作为马达中叶轮的材料，这是目前市面上强度最高的塑料，不仅重量轻且柔韧性极高。

除了转得快，V11 马达还小的惊人，只有 106.4 毫米高，140 克重，但功率高达 545 W ，相当于 10 台落地扇，配合吸尘器上的动态负载传感器还能实现智能感应地面类型、自动调节功率等特殊功能，让你不仅能快速地吸尘，更能愉快地吸猫。