原創作者：曉月池塘

電機知識系列之三/直流電機

直流式

直流發電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，

直流電機實圖

圖一

靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變為直流電動勢的原理。

感應電動勢的方向按右手定則确定（磁感線指向手心，大拇指指向導體運動方向，其他四指的指向就是導體中感應電動勢的方向）。

工作原理

導體受力的方向用左手定則确定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉電機裡稱為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩），電樞就能按逆時針方向旋轉起來。

直流電動機是依靠直流工作電壓運行的電動機，廣泛應用于收錄機、錄像機、影碟機、電動剃須刀、電吹風、電子表、玩具等。

電磁式

電磁式直流電動機由定子磁極、轉子（電樞）、換向器（俗稱整流子）、電刷、機殼、軸承等構成，

電磁式直流電動機的定子磁極（主磁極）由鐵心和勵磁繞組構成。根據其勵磁（舊标準稱為激磁）方式的不同又可分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和複勵直流電動機。因勵磁方式不同，定子磁極磁通（由定子磁極的勵磁線圈通電後産生）的規律也不同。

串勵直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組之間通過電刷和換向器相串聯，勵磁電流與電樞電流成正比，定子的磁通量随着勵磁電流的增大而增大，轉矩近似與電樞電流的平方成正比，轉速随轉矩或電流的增加而迅速下降。其起動轉矩可達額定轉矩的5倍以上，短時間過載轉矩可達額定轉矩的4倍以上，轉速變化率較大，空載轉速甚高（一般不允許其在空載下運行）。可通過用外用電阻器與串勵繞組串聯（或并聯）、或将串勵繞組并聯換接來實現調速。

并勵直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組相并聯，其勵磁電流較恒定，起動轉矩與電樞電流成正比，起動電流約為額定電流的2.5倍左右。轉速則随電流及轉矩的增大而略有下降，短時過載轉矩為額定轉矩的1.5倍。轉速變化率較小，為5%~15%。可通過消弱磁場的恒功率來調速。

他勵直流電動機的勵磁繞組接到獨立的勵磁電源供電，其勵磁電流也較恒定，起動轉矩與電樞電流成正比。轉速變化也為5%~15%。可以通過消弱磁場恒功率來提高轉速或通過降低轉子繞組的電壓來使轉速降低。

複勵直流電動機的定子磁極上除有并勵繞組外，還裝有與轉子繞組串聯的串勵繞組（其匝數較少）。串聯繞組産生磁通的方向與主繞組的磁通方向相同，起動轉矩約為額定轉矩的4倍左右，短時間過載轉矩為額定轉矩的3.5倍左右。轉速變化率為25%~30%（與串聯繞組有關）。轉速可通過消弱磁場強度來調整。

換向器的換向片使用銀銅、镉銅等合金材料，用高強度塑料模壓成。電刷與換向器滑動接觸，為轉子繞組提供電樞電流。電磁式直流電動機的電刷一般采用金屬石墨電刷或電化石墨電刷。轉子的鐵心采用矽鋼片疊壓而成，一般為12槽，内嵌12組電樞繞組，各繞組間串聯接後，再分别與12片換向片連接。

直流電機

直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、産生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類型。

他勵

勵磁繞組與電樞繞組無聯接關系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，原理圖中M表示電動機，若為發電機，則用G表示。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。如下圖所示：

圖二

并勵

并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯。作為并勵發電機來說，是電機本身發出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。如下圖所示：

圖三

串勵

串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯後，再接于直流電源。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。如下圖所示：

圖四

複勵

複勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組産生的磁通勢與并勵繞組産生的磁通勢方向相同稱為積複勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差複勵。如下圖所示：

圖五

不同勵磁方式的直流電機有着不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和複勵式，直流發電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和複勵式。

永磁式

永磁式直流電動機也由定子磁極、轉子、電刷、外殼等組成，定子磁極采用永磁體（永久磁鋼），有鐵氧體、鋁鎳钴、钕鐵硼等材料。按其結構形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。錄放機中使用的電多數為圓筒型磁體，而電動工具及汽車用電器中使用的電動機多數采用專塊型磁體。

轉子一般采用矽鋼片疊壓而成，較電磁式直流電動機轉子的槽數少。錄放機中使用的小功率電動機多數為3槽，較高檔的為5槽或7槽。漆包線繞在轉子鐵心的兩槽之間（三槽即有三個繞組），其各接頭分别焊在換向器的金屬片上。電刷是連接電源與轉子繞組的導電部件，具備導電與耐磨兩種性能。永磁電動機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。

錄放機中使用的永磁式直流電動機，采用電子穩速電路或離心式穩速裝置。

無刷直流

無刷直流電動機是采用半導體開關器件來實現電子換向的，即用電子開關器件代替傳統的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優點，廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。

無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉子位置的變化，沿着一定次序對定子繞組的電流進行換流（即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置，并在确定的位置處産生位置傳感信号，經信号轉換電路處理後去控制功率開關電路，按一定的邏輯關系進行繞組電流切換）。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關電路提供。

位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏诂極管、磁敏電阻器或專用集成電路等）裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉子旋轉時産生的磁場變化。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉子上裝有遮光闆，光源為發光二極管或小燈泡。轉子旋轉時，由于遮光闆的作用，定子上的光敏元器件将會按一定頻率間歇間生脈沖信号。

采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件（例如耦合變壓器、接近開關、LC諧振電路等），當永磁體轉子位置發生變化時，電磁效應将使電磁傳感器産生高頻調制信号（其幅值随轉子位置而變化）。

優越性

直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、

電機實物圖

圖六

從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，但直流電機的優點也正是它的缺點，因為直流電機要産生額定負載下恒定轉矩的性能，則電樞磁場與轉子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉動時會産生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用複雜控制技術才能達到。現今半導體發展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現将交流電機控制置于一旋轉的兩軸直交坐标系統中，适當控制交流電機在兩軸電流分量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當的性能。

此外已有很多微處理機将控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越小；像模拟/數字轉換器（Analog-to-digitalconverter，ADC）、脈沖寬度調制(Pulsewidemodulator，PWM）…等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相，得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構上缺失的一種應用。

控制結構

圖七

直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數（p）影響：

n=120．f/p。在轉子極數固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無刷電機即是将同步電機加上電子式控制(驅動器），控制定子旋轉磁場的頻率并将電機轉子的轉速回授至控制中心反複校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載範圍内當負載變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。

直流無刷驅動器包括電源部及控制部、電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉換輸入電源頻率。

電源部可以直接以直流電輸入（一般為24v）或以交流電輸入（110v/220v），如果輸入是交流電就得先經轉換器（Converter）轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈前須先将直流電壓由換流器（Inverter）轉成3相電壓來驅動電機。換流器（Inverter）一般由6個功率晶體管(q1～q6）分為上臂（q1、q3、q5)/下臂（q2、q4、q6）連接電機作為控制流經電機線圈的開關。控制部則提供pwm（脈沖寬度調制）決定功率晶體管開關頻度及換流器（Inverter）換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩定于設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機内部裝有能感應磁場的霍爾傳感器（Hall-sensor），作為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據。但這隻是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。

控制原理

圖八

要讓電機轉動起來，控制部就必須根據Hall-sensor感應到的電機轉子所在位置，然後依照定子繞線決定開啟（或關閉）換流器(Inverter）中功率晶體管的順序，使電流依序流經電機線圈産生順向（或逆向）旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到Hall-sensor感應出另一組信号的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環電機就可以依同一方向繼續轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率晶體管（或隻開下臂功率晶體管）；要電機轉子反向則功率晶體管開啟順序相反。

歡迎大神們交流探讨，分享經驗，共同提高！

轉載請注明出自“頭條号/低壓電工”

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!