直流發(fā)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?yōu)橹绷麟妱觿莸脑怼?/p>

感應電動勢的方向按右手定則確定(磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w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確定。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(zhuǎn)電機里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩(例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負載轉(zhuǎn)矩)，電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)其勵磁(舊標準稱為激磁)方式的不同又可分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。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后產(chǎn)生)的規(guī)律也不同。

串勵直流電動機的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵磁電流與電樞電流成正比，定子的磁通量隨著勵磁電流的增大而增大，轉(zhuǎn)矩近似與電樞電流的平方成正比，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩或電流的增加而迅速下降。其起動轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，短時間過載轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的4倍以上，轉(zhuǎn)速變化率較大，空載轉(zhuǎn)速甚高(一般不允許其在空載下運行)?？赏ㄟ^用外用電阻器與串勵繞組串聯(lián)(或并聯(lián))、或?qū)⒋畡罾@組并聯(lián)換接來實現(xiàn)調(diào)速。

并勵直流電動機的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組相并聯(lián)，其勵磁電流較恒定，起動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速則隨電流及轉(zhuǎn)矩的增大而略有下降，短時過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍。轉(zhuǎn)速變化率較小，為5%~15%?？赏ㄟ^消弱磁場的恒功率來調(diào)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(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。轉(zhuǎn)速變化也為5%~15%。可以通過消弱磁場恒功率來提高轉(zhuǎn)速或通過降低轉(zhuǎn)子繞組的電壓來使轉(zhuǎn)速降低。

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

換向器的換向片使用銀銅、鎘銅等合金材料，用高強度塑料模壓成。電刷與換向器滑動接觸，為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的鐵心采用硅鋼片疊壓而成，一般為12槽，內(nèi)嵌12組電樞繞組，各繞組間串聯(lián)接后，再分別與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、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)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(lián)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(fā)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(lián)。作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)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(lián)后，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

復勵

復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。如下圖所示：

圖五

不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復勵式，直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復勵式。

永磁式

永磁式直流電動機也由定子磁極、轉(zhuǎn)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、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結(jié)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(shù)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(shù)采用專塊型磁體。

轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成，較電磁式直流電動機轉(zhuǎn)子的槽數(shù)少。錄放機中使用的小功率電動機多數(shù)為3槽，較高檔的為5槽或7槽。漆包線繞在轉(zhuǎn)子鐵心的兩槽之間(三槽即有三個繞組)，其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。電刷是連接電源與轉(zhuǎn)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(wěn)速電路或離心式穩(wěn)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(xiàn)電子換向的，即用電子開關器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(yōu)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(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進行換流(即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后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、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返?裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)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(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

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(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。

優(yōu)越性

直流電機具有響應快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、

電機實物圖

圖六

從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動時會產(chǎn)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復雜控制技術才能達到?，F(xiàn)今半導體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標系統(tǒng)中，適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?shù)男阅堋?/p>

此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越小;像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、脈沖寬度調(diào)制…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(jié)構

圖七

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

n=120.f/p。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復校正，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范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。

直流無刷驅(qū)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(zhuǎn)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(jīng)轉(zhuǎn)換器(Converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(Inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)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(jīng)電機線圈的開關?？刂撇縿t提供pwm(脈沖寬度調(diào)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(wěn)定于設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)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(jù)。但這只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(zhuǎn)動起來，控制部就必須根據(jù)Hall-sensor感應到的電機轉(zhuǎn)子所在位置，然后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(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到Hall-sensor感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止則關閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管);要電機轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。