為什麼電動工具通常使用有刷馬達？
電動工具中的「有刷馬達」是什麼意思？
當工程師說電動工具「使用有刷馬達」時，他們幾乎總是指… 萬能馬達 ——這是一種串勵直流電機，由於配備了換向器和碳刷，因此也可以使用單相交流電。 （無線工具有時會使用永磁直流馬達（PMDC），這種馬達也帶有碳刷。）碳刷是彈簧加載的碳塊，它們壓在旋轉的銅線圈上。 換向器透過改變每個電樞線圈中的電流方向，使扭矩始終沿著一個方向作用。
另一個選擇是 無刷直流電（BLDC） 這種馬達用電子控制器和固定定子線圈取代了換向器。無刷意味著沒有火花，也沒有電刷磨損——但這同時也意味著需要電路板、感測器和韌體，而有刷馬達則沒有這些零件。
直流有刷馬達原理
如圖1所示，這是一個直流有刷馬達結構模型。兩個固定的各向異性磁鐵放置在線圈中間，線圈兩端分別連接到兩個半圓形銅環，銅環末端與固定碳刷接觸，碳刷末端再連接到直流電源。
圖 1
接通電源後，電流方向如圖1箭頭所示。根據左手定則，黃色線圈受到向上垂直方向的電磁力；藍色線圈受到向下垂直方向的電磁力。馬達轉子開始順時針旋轉，旋轉90度後，如圖2所示。
圖 2
此時，碳刷正好位於兩個銅環之間的縫隙中間，整個線圈迴路中沒有電流。但由於慣性作用，轉子仍然繼續旋轉。
圖 3
當轉子在慣性作用下轉動到上述位置時，線圈電流如圖3所示。根據左手定則，藍色線圈受到向上的電磁力；黃色線圈受到向下的電磁力。馬達轉子繼續順時針旋轉，90度後，如圖4所示：此時碳刷正好位於兩個銅環之間的中間間隙，整個線圈迴路中沒有電流。但在慣性作用下，轉子仍會繼續旋轉。然後重複上述步驟，循環往復。
無刷直流電機
如圖5所示，這是直流無刷馬達結構的示意圖。它由定子和轉子組成，轉子有一對磁極；定子繞有多組線圈，圖中顯示了六組線圈。
圖 5
當電流通過定子線圈 2 和 5 時，線圈 2 和 5 將產生磁場，此時定子相當於一個條形磁鐵，其中 2 為 S（南極），5 為 N（北極）。由於同性磁極相互吸引，轉子的 N 極將旋轉到線圈 2 的位置，轉子的 S 極將旋轉到線圈 5 的位置，如圖 6 所示。
圖 6
然後，我們斷開定子線圈 2 和 5 的電流，並向定子線圈 3 和 6 通電。此時，線圈 3 和 6 將產生磁場，定子等效於一個條形磁鐵，其中 3 為 S（南極），6 為 N（北極）。由於同性磁極相互吸引，轉子的 N 極將旋轉到線圈 3 的位置，轉子的 S 極將旋轉到線圈 6 的位置，如圖 7 所示。
圖 7
同樣地，斷開定子線圈 3 和 6 的電流，然後將電流通入定子線圈 4 和 1。此時，線圈 4 和 1 將產生磁場，定子等效於一個條形磁鐵，其中 4 為 S（南極），1 為 N（北極）。由於異性磁極相互吸引，轉子的 N 極將旋轉到線圈 4 的位置，轉子的 S 極將旋轉到線圈 1 的位置。
到目前為止，馬達已經旋轉了半圈……第二個半圈的原理與之前的相同，所以這裡不再贅述。我們可以簡單地把直流無刷馬達的工作原理比喻成在驢子麵前拋胡蘿蔔，讓驢子不斷地朝著胡蘿蔔前進。
那麼，我們如何在不同時刻將精確的電流傳遞給不同的線圈呢？這就需要一個電流換向電路……這裡我就不詳細贅述了。
有刷直流馬達和無刷直流馬達的優缺點比較
直流有刷馬達：啟動快、煞車及時、調速平穩、控制簡單、結構簡單、價格低廉。關鍵是價格便宜！價格便宜！價格便宜！而且它啟動電流大、低速扭力（旋轉力）大，能夠承載非常重的負載。
然而，由於碳刷與換向器之間的摩擦，直流有刷馬達容易產生火花、發熱、噪音，對外部環境造成電磁幹擾，且效率低、壽命短。此外，碳刷屬於易損件，容易失效，且需定期更換。
直流無刷馬達：由於直流無刷馬達取消了碳刷，因此噪音小、無需維護、故障率低、使用壽命長，運行時間和電壓也更穩定，對無線電設備的干擾較小。但是它很貴！很貴！很貴！
電動工具是生活中非常常見的工具，品牌眾多，競爭激烈，因此人們對價格非常敏感。電動工具需要承載很重的負載，必須具備很大的啟動扭矩，例如手鑽、衝擊鑽。否則，鑽孔時很容易因為鑽頭卡住而導致馬達無法運轉。
想像一下，有刷直流馬達價格低廉、啟動扭力大、能夠承載重物；無刷馬達故障率低、壽命長，但價格昂貴，啟動扭力遠小於有刷馬達。如果讓你選擇，你會怎麼選？我想答案不言而喻。
有刷馬達與無刷馬達－核心區別
| 方面 | 刷面（通用/PMDC） | 無刷直流馬達（BLDC） |
|---|---|---|
| 換向 | 機械式－電刷+換向器 | 電子元件－控制器+霍爾感測器 |
| 控制電子設備 | 無（開關+三端雙向可控矽用於交流調速） | 所需驅動PCB + 韌體 |
| 啟動扭力 | 非常高（堵轉電流 = V/Rₐ） | 高，但受控制器電流限制 |
| 電源 | 交流電或直流電（通用） | 僅直流電（或經整流器） |
| 易碎部件 | 非電子式－耐塵/耐熱 | 控制器對濕度/靜電放電/尖峰脈衝敏感 |
| 維護 | 更換碳刷（易損件） | 幾乎無需維護 |
| 前期成本 | 低價——便宜 30%–50%。 | 高級版（價格高出 20%–50%） |
有刷（通用）馬達如何產生高啟動扭矩
有刷馬達之所以在電鑽、砂輪機和電鋸領域佔據主導地位，歸根究底可以用一個物理事實來解釋： 串聯繞組 設計過程。逐步講解：
- 磁場和電樞是串聯的。 勵磁電流等於電樞電流，因此在高電流下，磁場也最強。
- 靜止時，反電動勢為零。 感應電壓 E = kₑ·ω 與速度 ω 成正比；當 ω = 0 時，E = 0。
- 電流僅受繞組電阻限制。 I = (V − E)/Rₐ = V/Rₐ，這非常大，因為 Rₐ 很小（歐姆的幾分之一）。
- 扭矩激增。 T = kₜ·Iₐ，因此堵轉電流會產生較大的堵轉轉矩－對於串聯（通用）電機，轉矩大致與電流成正比。 方塊 電流（T ∝ I²）。
- 隨著馬達轉速加快，反電動勢也會升高。 電流下降到穩定的工作值－馬達根據負載自動調節。
- 換向器使它只能單向流動。 每個線圈中的電刷都會在適當的瞬間改變電流方向，因此扭矩永遠不會相互抵消。
這就是為什麼鑽頭在硬木中卡住時電鑽不會停轉的原因：電機會產生巨大的浪湧電流並將其直接轉化為扭矩。 IEEE 對通用馬達的分析研究證實，它們之所以仍然被用於“電鑽和電鋸”，正是因為它們具有這種特性。 “變速範圍寬、啟動扭力大、成本低、功率重量比高” （IEEE Xplore，5994773）。
初始狀態與目前狀態的現實（實例分析）
真正的有刷馬達利用這種突波電流，而不是與之對抗。此數據是在一台24V的maxon RE 30有刷直流馬達上測得的。 （EDN，有刷直流馬達電流）：
| 狀態 | 目前的 | 力量 | 筆記 |
|---|---|---|---|
| 自旋加速峰值（≈1毫秒） | 29 A | 約700瓦 | 短暫的湧入以克服慣性 |
| 失速（轉子保持靜止） | 34A | 816 W | 最大扭力工況 |
| 連續運行 | 2A | 48瓦 | 額定工作點 |
| 最大允許連續 | 3.5 安培 | 84 W | 為避免損壞，請設定熱限制。 |
無刷控制器 必須 使用閉環限流來抑制這種突波電流；有刷馬達則直接利用銅和磁鐵來處理。 maxon 公司指出，有刷直流馬達“無需外部電子設備即可運行……是無刷直流馬達的有效替代方案”，其扭矩控制“通過電流實現”，並且“即使長時間靜止後，啟動電壓也很低”。 （maxon DCX 程式）。
有刷電動工具與無刷電動工具－量化比較
市場格局發生轉變（但尚未完全轉變）的原因可以從數據中看出。價格區間反映了從普通消費者到專業人士使用的典型有線和無線工具。
| 範圍 | 刷毛（通用） | 無刷直流馬達（BLDC） | 來源/註釋 |
|---|---|---|---|
| 效率 | 50-60%（廉價通用型）；70-85%（優質PMDC） | 85%–90%+ | 無刷直流馬達因摩擦/發熱造成的損耗較小 |
| 前期成本 | 基線 | 溢價 20%–50% | PowerToolLab，KitD 數據 |
| 電池續航力（同一電池組） | 基線 | 充電時孔數增加 30%–50%。 | PowerToolLab鑽孔測試（276孔 vs 397孔） |
| 刷子/維護壽命 | 500–2,000 小時（家用研磨機 50–100 小時） | 更長（無磨損部件） | 取決於佔空比 |
| 啟動扭力 | 非常高；僅受 Rₐ 限制 | 高；受控制器限制 | T = k·Iₐ 與電流限制 |
| 速度範圍 | 10,000–20,000+ 轉/分（降檔） | 寬幅、EC控制 | 通用馬達高速設計 |
| 環境穩健性 | 極佳（沒有電子元件會燒壞） | 不錯，但控制器有漏洞 | 對灰塵/熱/濕氣敏感 |
成本差距為何存在
| 成分 | 刷毛 | 無刷 |
|---|---|---|
| 馬達繞組 | 標準型、大批量 | 標準 |
| 換向 | 換向器 + 碳刷（約 2 美元） | 沒有任何 |
| 控制器 | 無（開關 + 三端雙向可控矽開關） | PCB + MOSFET + 韌體 |
| 感應器 | 沒有任何 | 霍爾感測器（或無感測器演算法） |
| 製造複雜性 | 低的 | 高（SMT，校準） |
2020 年一項針對電動工具的深槽通用電機研究（西北工業大學和中國小型精密電機國家工程研究中心）甚至對…進行了最佳化。 插槽設計 具體而言，“降低通用電機材料成本並提高生產效率” （Springer JoPE，2020） 成本是從源頭就考慮進去的。
工程資料：效率、溫度和壽命限制
這些是設計或採購工程師在選擇馬達架構時實際使用的數字。
| 範圍 | 典型值 | 標準/備註 |
|---|---|---|
| 刷式通用效率 | 50-60%（便宜）；最高可達約75%（已加載） | 小型通用馬達在輕載時降低 |
| 有刷PMDC效率 | 70-85% | maxon RE系列達到約90% |
| BLDC效率 | 85%–90%+ | UL/製造商實驗室數據 |
| 無刷馬達成本溢價 | +20–50% | 控制器+感測器驅動它 |
| 刷子使用壽命 | 500–2,000 小時（研磨機 50–100 小時） | 高電流會縮短壽命 |
| 空載轉速（通用） | 轉速 10,000–20,000+ 轉/分 | 齒輪減速至刀具輸出 |
| 換向器溫度等級 | B級 130°C / F 155°C | IEC 60034-1 限值 |
| 堵轉電流 | V / Rₐ（運行 10–30 倍） | EDN maxon RE30：24V 時失速電流為 34A |
關鍵公式
| 數量 | 公式 | 對工具設計的意義 |
|---|---|---|
| 反電磁場 | E = kₑ ω | 靜止時電流為零 → 啟動時電流最大 |
| 扭力 | T = kₜ · Iₐ | 扭力追蹤電樞電流 |
| 堵轉電流 | I_stall = V / Rₐ | 僅受繞組阻力限制 |
| 串勵馬達扭矩 | T ∝ I²（近似值） | 通用馬達：扭力隨電流增加而增加² |
| 速度（已載入） | N ∝ V / (k · Φ)，與負載成反比。 | 負載下會下降；空載時可能會超速。 |
火花驗收（IEC 60034-1）
換向器產生火花－這是正常現象，但必須控制在一定範圍內。 IEC 60034-1 標準定義了四種火花等級；維修技術人員絕對不能接受 3 級火花。
| 班級 | 描述 | 可以接受嗎？ |
|---|---|---|
| 1 | 無火花；換向器和電刷完好無損 | 適用於所有負載 |
| 1½ | 僅在刷子邊緣有微弱火花 | 允許持續 |
| 2 | 在規定的超載情況下是允許的。 | 允許，但需調查 |
| 3 | 危險的火花，火災/侵蝕風險 | 絕不可接受 |
有刷電動工具的最佳應用
在低成本、簡單控制、高啟動扭力或惡劣環境的耐用性比免維護壽命更重要的情況下，有刷馬達仍然是正確的選擇。
| 應用 | 為什麼磨砂布料適合 | 當心 |
|---|---|---|
| 有線電鑽/衝擊起子（經濟型） | 價格低廉，啟動扭力巨大，交流電源 | 刷毛因頻繁使用而磨損 |
| 角磨機 | 通用馬達原生轉速可達10000轉/分鐘以上 | 高電流→電刷壽命短 |
| 有線電鋸/砂光機 | 無需擔心電池續航力；堅固耐用 | 換向器維護 |
| DIY/房屋所有權工具 | 前期成本低，偶爾使用 | 長時間空轉 → 需進行電刷安裝 |
| 塵土飛揚/炎熱的工地 | 沒有易碎的控制器，不會燒壞。 | 通風口的侵入會加速磨損 |
| 以維修為主的車隊 | 電刷是價格低廉且可在現場更換的零件。 | 所需備件庫存 |
如果應用需要的是精確、低維護的運動控制，那麼無刷或減速的BLDC馬達則是更佳選擇－請參閱我們的指南。 為什麼機械手臂需要減速器。
選用指南：何時選擇有刷電機
- 預算是首要考慮因素： 如果前期成本占主導地位（DIY、贈品套件、大批量 OEM），刷子可勝出 20-50%。
- 該工具可以是有線的，也可以是交流電的： 通用馬達可直接接通電源運轉－無需電池，無需逆變器。
- 你需要失速級的啟動扭力： 在負載下卡住的鑽孔機、攪拌機和螺旋鑽可受益於 V/Rₐ 啟動。
- 交流/直流電的靈活性很重要： 工地發電機或引擎驅動的焊接機可以是直流電；通用馬達可以同時處理直流電和直流電。
- 環境惡劣： 灰塵、濕氣、高溫和電壓尖峰會比電刷磨損更快損壞控制器。
- 預計需要現場維修： 如果操作人員自行更換碳刷，有刷保護的工具就不會送進車間。
- 在以下情況下選擇無刷馬達： 無線運作時間、工具壽命和低噪音，這些優點值得付出更高的價格（專業日常使用）。
有刷電動工具馬達常見的工程錯誤
| 錯誤 | 為什麼會痛 |
|---|---|
| 假設“刷毛=過時” | 忽略了成本、扭矩和耐用性方面，在這些情況下，有刷馬達仍然是最佳選擇。 |
| 忽略佔空比中的電刷壽命 | 家用研磨機刷子的使用壽命為 50-100 小時；必須計劃備有備用刷子。 |
| 電源容量不足，無法滿足堵轉電流需求 | 堵轉電流是運轉電流的 10-30 倍；供電不足會導致電壓驟降。 |
| 刷子等級不適合負載 | 大電流工具需要電化學石墨/金屬石墨，而不是純碳。 |
| 忘記IEC火花限制 | 三級火花會侵蝕換向器，並有火災風險。 |
| 忽略交流/直流要求 | PMDC 不能使用交流電；通用型可以－請核實來源 |
有刷電動工具馬達故障排除（問題→原因→解決方法）
| 問題 | 可能原因 | 解決方案 |
|---|---|---|
| 負載下扭力弱/低 | 電刷磨損、換向器接觸不良、供電不足 | 更換電刷組；清潔/安裝換向器；檢查電壓 |
| 火花過多 | 磨損的電刷，不合適的等級，帶槽的換向器 | 安裝正確等級的零件；修復換向器表面；調整彈簧壓力 |
| 馬達過熱 | 過載、電弧、通風口堵塞、環境溫度過高 | 降低負載；清理通風口；核實工作負荷是否符合IEC等級 |
| 快速磨損 | 彈簧壓力過大、粉塵磨損、電流過大 | 重置壓力；清潔環境；校正坡度 |
| 無法啟動/間歇性啟動 | 電刷沒了，鉛鬆了，軸承卡死了 | 新刷套裝；擰緊導線；自由軸 |
| 攤位燒毀 | 超過熱極限（I = V/Rₐ）保持停滯 | 增加電流限制/熱截止；不要綁定位 |
要進行完整的診斷流程（包括繞組電阻和絕緣測試），請使用我們的 直流馬達故障排除指南。
常見問題解答
為什麼電動工具使用有刷馬達而不是無刷馬達？
有刷馬達（大多為通用型）價格比無刷馬達便宜 20% 到 50%，因為它們無需控制器、感測器或韌體，並且利用堵轉浪湧電流 (I = V/Rₐ) 提供極高的啟動扭力。它們可以使用交流電或直流電，並且由於沒有易碎的電子元件，因此能夠承受灰塵和高溫。無刷馬達在電池續航時間和使用壽命方面更勝一籌，但對於預算有限、有線且可維修的工具而言，有刷馬達仍然是最佳選擇。
有刷電動工具比無刷電動工具扭力更大嗎？
在啟動或接合瞬間，有刷串勵馬達可以產生較大的電流尖峰（僅受繞組電阻限制），因此其 頂峰 啟動扭力非常高。無刷馬達雖然受限於控制器的電流限制，但在持續負載下能更穩定地保持扭矩，且整體運作效率更高。
有刷電動工具現在還好用嗎？
是的——對於有線工具、預算有限的DIY用戶、惡劣環境以及需要現場更換碳刷的車隊來說，有刷馬達是一個完全夠用且經濟實惠的選擇。但對於以運轉時間和工具壽命為主要考慮的專業級無線日常使用而言，無刷馬達才是更佳的長期投資。
為什麼有刷馬達更便宜？
他們用一個換向器和兩個碳刷取代了整個電子控制系統。無需印刷電路板、MOSFET、霍爾感測器或韌體校準——只需一個開關（以及一個用於交流調速的三端雙向可控矽開關元件）。大批量繞線和沖壓製程降低了單位成本。
有刷馬達可以同時使用交流電和直流電嗎？
一個 普遍的 馬達可以——這是它的主要特點，也是它適用於任何插座或直流電源供電的電動工具的原因。永磁直流（PMDC）有刷馬達只能使用直流電運行，除非經過外部整流。
電動工具馬達碳刷的使用壽命有多長？
通常情況下，碳刷的使用壽命為 500 至 2000 小時，取決於電流和使用強度；消費級角磨機碳刷在重度使用下，可能只需 50 至 100 小時就會磨損。由於碳刷屬於計劃更換的易損件，因此其設計目的是為了方便低成本更換，而不是縮短工具的使用壽命。
為什麼選擇 Greensky 的有刷和無刷馬達？
無論您的工具設計是繼續沿用有刷的簡潔設計，還是轉向無刷的高效性能，Greensky 都能從同一來源提供兩者，並且是專為滿足您的需求而設計的。 IEC 60034 和 NEMA MG 1 尺寸剛好可以安裝到現有支架上：
- 有刷永磁直流電機和通用電機 提供有據可查的換向器規格、可選擇的電刷等級以及供維修團隊使用的電刷更換方案。
- 無刷直流馬達和齒輪電機 採用匹配的霍爾感應器和驅動器－消除無線平台的電刷磨損、火花和換向維護。
- 整合式齒輪電機 這樣可以倍增輸出扭矩，從而降低電機鐵芯必須承受的電流（和電刷應力）—請參閱我們的 變速箱與齒輪馬達比較指南。
- 法蘭相容性： 符合 IEC B5/B14 和 NEMA C 標準的接口，導孔直徑可客製化－請參閱我們的產品資訊。 馬達法蘭導引裝置。
- 低起訂量OEM/ODM： 小批量生產備件和定制軸/編碼器配置。
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參考
- IEC 60034-1 — 旋轉馬達：額定值和性能（溫度和火花等級）. webstore.iec.ch/publication/67467
- IEC 60034-30-1 — 旋轉馬達能源效率等級 (IE1–IE5). webstore.iec.ch/publication/67784
- NEMA MG 1 — 馬達和發電機（安全、熱力、安裝尺寸）. nema.org/standards/view/mg-1-motors-and-generators
- IEEE 112 — 多相感應與直流馬達標準測試程序（效率/損耗法）. standards.ieee.org/ieee/112/4213
- IEEE Xplore — 通用馬達（高啟動轉矩、低成本）的分析模型與參數計算. ieeexplore.ieee.org/document/5994773
- 齊浩等（2020）－電動工具用深槽通用馬達的設計與研究. 電力電子學雜誌Springer出版社。 DOI： 10.1007/s43236-020-00131-6
- maxon — 有刷直流馬達（DCX系列）：無需外部電子設備即可運行，基於電流的扭矩控制. maxonmotor.com/dcx-program
- FAULHABER — 直流馬達技術資訊（有刷換向，貴金屬電刷）. faulhaber.com/en/technical-information
- 美國能源部－電機效率測定及維修指南. energy.gov/eere/amo/articles/determination-electric-motors
- SKF——電機維護和軸承潤滑. skf.com/us/products/maintenance-products/bearing-maintenance
