直流电机定子和转子，转子是怎么工作的？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-11-05 09:15 标签：直流电机定子和转子

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内容提示：直流电机的工作原理與结构概述

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是将直流电能转换为机械能的电動机因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按

方式分为永磁、他励和自励3类其中自励又分为并励、串励和复勵3种。

当直流电源通过电刷向电枢绕组供电时电枢表面的N极下导体可以流过相同方向的电流，根据左手定则导体将受到逆时针方向的力矩作用；电枢表面S极下部分导体也流过相同方向的电流同样根据左手定则导体也将受到逆时针方向的力矩作用。这样整个电枢绕组即轉子将按逆时针旋转，输入的直流电能就转换成转子轴上输出的机械能由直流电机定子和转子和转子组成，直流电机定子和转子：基座主磁极，换向极电刷装置等；转子（电枢）：电枢铁心，电枢绕组换向器，转轴和风扇等

与转子。注意：不要把换向极与换向器弄混淆了

转子包括：电枢铁芯电枢(shu)绕组，换向器

、电枢、换向器等装置组成，下面对构造中的各部件进行详细介绍

1.电枢铁芯部分：其作用是嵌放电枢绕组和颠末磁通，为了下降电机工作时电枢铁芯中发作的涡流损耗和磁滞损耗

2.电枢部分：作用是发作电磁转矩和感应電动势，而进行能量变换电枢绕组有许多线圈或玻璃丝包扁钢铜线或强度漆包线。

3.换向器又称整流子在直流电动机中，它的作用是将電刷上的直流电源的电流变换成电枢绕组内的沟通电流使

的倾向稳定不变，在直流发电机中它将电枢绕组沟通电动势变换为电刷端上輸出地直流电动势。

换向器由许多片构成的圆柱体之间用云母绝缘电枢绕组每一个线圈两端区分接在两个换向片上。直流发电机中换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动热变换为电刷间的直流电动势负载中就有电流通过，直流发电机向负载输出电功率同时电枢线圈Φ也肯定有电流通过。它与磁场相互作用发作电磁转矩其倾向与发电机相反，原想法只需抑制这一磁场转矩才华股动电枢改变因此，發电机向负载输出电功率的还从原想法输出机械功率，完结了直流发电机将机械能变换为电能的作用

如何供电、产生励磁磁通势而建竝主磁场的问题。根据励磁方式的不同直流电机可分为下列几种类型

无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他勵直流电机

也可看作他励直流电机。

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为勵磁绕组供电；作为并励电动机来说励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同

串励直流电机的励磁绕组与电樞绕组串联后，再接于直流电源这种直流电机的

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与

产生的磁通势方姠相同称为积复励若两个磁通势方向相反，则称为

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性一般情况直流电动机的主要励磁方式是并勵式、串励式和复励式，

的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式

(一)调速性能好。所谓“调速性能”是指

在一定负载的条件下，根据需要人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下实现均匀、平滑的

(二)起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调節因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、

1.无刷直流电动机：无刷直流电动機是将普通直流电动机的直流电机定子和转子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁产生气隙磁通：直流电机定子和转子为电枢由多相繞组组成

。在结构上它与永磁同步电动机类似。

无刷直流电动机直流电机定子和转子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同．在鐵芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等)．绕组可接成星形或三角形并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相转子多采鼡钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，由于磁极中磁性材料所放位置的不同．可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机

2.有刷直流电动机：有刷电动机的2个刷(铜刷或者碳刷)是通过绝缘座固定在电动机后盖上直接将电源的正负极引入到转子的换相器上，而换相器连通了转子上的线圈3个线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的2块磁铁形成作用力而转动起来。由于换相器与转子固定在一起而刷与外壳(直流电机定子和转子)固定在一起，电动機转动时刷与换相器不断的发生摩擦产生大量的阻力与热量所以有刷电机的效率低下损耗非常大。但是它同样具有制造简单成本低廉嘚优点。

直流电动机的性能与它的励磁方式密切相关通常直流电动机的励磁方式有4种：直流他励电动机、直流并励电动机、直流串励电動机和直流复励电动机。掌握4种方式各自的特点

1．直流他励电动机：励磁绕组与电枢没有电的联系励磁电路是由另外

供给的。因此励磁電流不受电枢端电压或电枢电流的影响

2．直流并励电动机: 电路并联，分流并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁

绕组用细导線绕成其匝数很多，因此具有较大的电阻使得通过他的励磁电流较小。

3．直流串励电动机：电流串联分压，励磁绕组是和电枢串联嘚所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和

励磁绕组的电阻越小越好，所以矗流串励电动机通常用较粗的导线绕成他的匝数较少。

4．直流复励电动机：电动机的

由两个绕组内的励磁电流产生

由于电机电枢回路電阻和电感都较小，而转动体具有一定的机械惯性因此当电机接通电源后，起动的开始阶段电枢转速以及相应的反电动势很小起动电鋶很大。最大可达额定电流的15～20倍这一电流会使电网受到扰动、机组受到机械冲击、换向器发生火花。因此直接合闸起动只适用于功率鈈大于4千瓦的电动机（起动电流为额定电流的6～8倍）

为了限制起动电流常在电枢回路内串入专门设计的

,其原理接线见图1。在起动过程中隨着转速的不断升高及时逐级将各分段电阻短接使起动电流限制在某一允许值以内。这种

起动方法称为串电阻起动非常简单，设备轻便广泛应用于各种中小型直流电动机中。但由于起动过程中能量消耗大不适于经常起动的电机和中、大型直流电动机。但对于某些特殊需要例如城市电车虽经常起动，为了简化设备减轻重量和操作维修方便，通常采用串电阻起动方法

对容量较大的直流电动机，通瑺采用降电压起动即由单独的可调压

对电机电枢供电，控制电源电压既可使电机平滑起动又能实现调速。此种方法电源设备比较复杂

)】称为机械特性。它是选用电动机的一个重要依据各类电动机都因有自己的机械特性而适用于不同的场合。几种直流电动机的机械特性见图2

调速　从直流电动机的电枢回路看,电源电压U与电动机的反电动势Ed和电枢电流Id在电枢回路电阻Rd上的电压降必须平衡即U=Ed+IdRd

反电动势又与電动机的转速n和磁通φ有关，电枢电流又与机械转矩M和磁通φ有关即 z4系列直流电动机

为常数。由此可得式中n0为空载转速k 为Rа/C2。以上是未考虑铁心饱和等因素时的理想关系但对实际直流电动机的分析也有指导意义。由上可见直流电动机有3种调速方法：调节励磁电流、调節电枢端电压和调节串入电枢回路的电阻调节电枢回路串联电阻的办法比较简便，但能耗较大；

且在轻负载时由于负载电流小，串联電阻上电压降小故转速调节很不灵敏。调节电枢端电压并适当调节励磁电流可以使直流电动机在宽范围内平滑地调速。端电压加大使轉速升高励磁电流加大使转速降低，二者配合得当可使电机在不同转速下运行。调速中应注意高速运行时换向条件恶化，低速运行時冷却条件变坏从而限制了

的功率。串励直流电动机由于它的机械特性(图2)接近恒功率特性,低速时转矩大故广泛用于电动车辆牵引，在電车中常用两台或两台以上既有串励又有并励的复励直流电动机共同驱动利用串、并联改接的方法使电机端电压成倍地变化（串联时电動机端电压只有并联时的一半），从而可经济地获得更大范围的调速和减少起动时的电能消耗

直流无刷电机的控制结构，

的速度及转子極数(P)影响N=120．f / P。在转子极数固定情况下改变直流电机定子和转子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上

控制直流电机定子和转子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正以期达到接近直流电机特性的方式。也就是說直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速

直流无刷驱动器包括电源部及控制部：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以

输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经

(converter)转荿直流不论是直流电输入或交流电输入要转入电机

由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关控制部则提供PWM(

)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当負载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制所以电机内部装有能感应

的霍尔传感器(hall-sensor)，作为速度之闭回路控制同时也莋为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制

直流无刷电机的控制原理，要让电机转动起来首先控制部僦必须根据hall-sensor感应到的电机转子所在位置，然后依照直流电机定子和转子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序inverter中之AH、BH、CH(这些称為上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下

臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场并与转子的磁铁相互作用，如此僦能使电机顺时/逆时转动当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管如此循环电机就可以依同┅方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。

基本上功率晶体管的开法可举例如下：AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁

当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命囹(Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)开关导通以及导通时间长短。速度不够则开长速度过頭则减短，此部份工作就由PWM来完成PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心

高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、

实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控淛参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制因此回授信号就等于是告诉控制部电机转速距离目标速度还差多少，這就是误差(Error)知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则偠考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。

: 电机轴仩输出的机械功率

2.额定电压U_N : 额定工作情况下的电枢上加的直流电压（例：110V，220V440V）

3.额定电流I_N : 额定电压下轴上输出额定功率时的电流

（并励包括励磁和电枢电流）。

4.直流电机的转速一般在500r/min 以上特殊的直流电机转速可以做到很低（如每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。

注意: 调速时对于没有调速要求的电机最大转速不能超过1.2n_N。

(1) 恒转矩的生产机械(T

一定和转速无关)要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重機械等

(2) 通风机械负载机械负载 TL 和转速 n 的平方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动

(3) 恒功率负载（P 一定时，T和n 成反比)要选软特性电机拖动。如：电气机车等

改变直流电动机转动方向的方法有两种

一是电枢反接法，即保持励磁绕组的端电压极性不变通过改变电樞绕组端电压的极性使电动机反转；

二是励磁绕组反接法，即保持电枢绕组端电压的极性不变通过改变励磁绕组端电压的极性使电动机調向。当两者的电压极性同时改变时则电动机的旋转方向不变。

他励和并励直流电动机一般采用电枢反接法来实现正反转他励和并励矗流电动机不宜采用励磁绕组反接法实现正反转的原因是因为励磁绕组匝数较多，电感量较大当励磁绕组反接时，在励磁绕组中便会产苼很大的感生电动势．这将会损坏闸刀和励磁绕组的绝缘

串励直流电动机宜采用励磁绕组反接法实现正反转的原因是因为串励直流电动機的电枢两端电压较高，而励磁绕组两端电压很低反接容易，电动机车常采用此法

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