直流電機

基本結構

由直流電動機和發(fā)電機工作原理示意圖可以看到，直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。
 

定子

1、主磁極

主磁極的作用是產生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。
鐵心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上，
 

2、換向極

換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數目與主磁極相等。
 

3、機座

電機定子的外殼稱為機座。機座的作用有兩個：
一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個電機的支撐和固定作用；
二是機座本身也是磁路的一部分，借以構成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。 

4、電刷裝置

電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內蓋上，圓周位置可以調整，調好以后加以固定。 

轉子

1、電樞鐵心

電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。
一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機運行時電樞鐵心中產生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉軸或轉子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內嵌放電樞繞組。 

2、電樞繞組

電樞繞組的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁扎。
 

3、換向器

在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應產生的交變電動勢轉換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。 

4、轉軸

轉軸起轉子旋轉的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

勵磁方式 

他勵直流電機

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，永磁直流電機也可看作他勵或自激直流電機，一般直接稱作勵磁方式為永磁。
 

并勵直流電機

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。
 

串勵直流電機

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。
 

復勵直流電機

復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產生的磁通勢與并勵繞組產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。
 

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他勵和串勵，其它勵磁方式，在電子工業(yè)的不斷完善下將逐漸被淘汰，直流發(fā)電機的主要勵磁方式有他勵、并勵和復勵方式。

型號命名 

國產電機型號一般采用大寫的英文的漢語拼音字母的阿拉伯數字表示， 

其格式為：第一部分用大寫的拼音字母表示產品代號，第二部分用阿拉伯數字表示設計序號，第三部分用阿拉伯數字表示機座代號，第四部分用阿拉伯數字表示電樞鐵心長度代號。

工作原理

直流電機里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉子上的線圈產生安培力，當轉子上的線圈與磁場平行時，再繼續(xù)轉受到的磁場方向將改變，因此此時轉子末端的電刷跟轉換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產生的洛倫茲力方向不變，所以電機能保持一個方向轉動。
 

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，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?。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）。
 

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，這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩，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。
 

控制原理

直流無刷電機的控制原理，要讓電機轉動起來，首先控制部就必須根據hall-sensor感應到的電機轉子目前所在位置，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，inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經電機線圈產生順向(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)轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機轉子反向則功率晶體管開啟順序相反。
 

基本上功率晶體管的開法可舉例如下：AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組，但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因為電子零件總有開關的響應時間，所以功率晶體管在關與開的交錯時間要將零件的響應時間考慮進去，否則當上臂(或下臂)尚未完全關閉，下臂(或上臂)就已開啟，結果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。
當電機轉動起來，控制部會再根據驅動器設定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟件運算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關導通，以及導通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由PWM來完成。PWM是決定電機轉速快或慢的方式，如何產生這樣的PWM才是要達到較精準速度控制的核心。
 

高轉速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、 實時性。至于低轉速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的hall-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據電機特性適當配置控制參數值就顯得非常重要?；蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉順暢而且響應良好，P.I.D.控制的恰當與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部現在電機轉速距離目標速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實是復雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經網絡也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。
 

主要分類

直流發(fā)電機

直流發(fā)電機是把機械能轉化為直流電能的機器。它主要作為直流電動機、電解、
電鍍、電冶煉、充電及交流發(fā)電機的勵磁電源等所需的直流電機。雖然在需要直流電的地方，也用電力整流元件，把交流電轉換成直流電，但從某些工作性能方面來看，交流整流電源還不能完全取代直流發(fā)電機。
 

直流電動機

將直流電能轉換為機械能的轉動裝置。電動機定子提供磁場，直流電源向轉子的繞組提供電流，換向器使轉子電流與磁場產生的轉矩保持方向不變。
 

無刷直流電機

無刷直流電機是近幾年來隨著微處理器技術的發(fā)展和高開關頻率、
 

低功耗新型電力電子器件的應用，以及控制方法的優(yōu)化和低成本、高磁能級的永磁材料的出現而發(fā)展起來的一種新型直流電動機。 

無刷直流電機既保持了傳統(tǒng)直流電機良好的調速性能又具有無滑動接觸和換向火花、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點，因而在航空航天、數控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設備和家用電器等方面都獲得了廣泛應用。
 

按照供電方式的不同，無刷直流電機又可以分為兩類：方波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形都是矩形波，又稱為矩形波永磁同步電動機；正弦波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形均為正弦波。

故障檢修

電樞繞組接地故障

這是直流電動機繞組最常見的故障。電樞繞組接地故障一般常發(fā)生在槽口處和槽內底部，對其的判定可采用絕緣電阻表法或校驗燈法，用絕緣電阻表測量電樞繞組對機座的絕緣電阻時，如阻值為零則說明電樞繞組接地；或者用圖所示的毫伏表法進行判定，將36V低壓電源通過額定電壓為36V的低壓照明燈后，連接到換向器片上及轉軸一端，若燈泡發(fā)亮，則說明電樞繞組存在接地故障。具體到是哪個糟的繞組元件接地，則可用圖所示的毫伏表法進行判定。將6～12V低壓直流電源的兩端分別接到相隔K/2或K/4的兩換向片上（K為換向片數），然后用毫伏表的一支表筆觸及電動機軸，另一支表筆觸在換向片上，依次測量每個換向片與電動機軸之間的電壓值。若被測換向片與電動機軸之間有一定電壓數值（即毫伏表有讀數），則說明該換向片所連接的繞組元件未接地；相反，若讀數為零，則說明該換向片所連接的繞組元件接地。最后，還要判明究竟是繞組元件接地還是與之相連接的換向片接地，還應將該繞組元件的端都從換向片上取下來，再分別測試加以確定。 

電樞繞組接地點找出來后，可以根據繞組元件接地的部位，采取適當的修理方法。若接地點在元件引出線與換向片連接的部位，或者在電樞鐵心槽的外部槽口處，則只需在接地部位的導線與鐵心之間重新進行絕緣處理就可以了。若接地點在鐵心槽內，一般需要更換電樞繞組。如果只有一個繞組元件在鐵心槽內發(fā)生接地，而且電動機又急需使用時，可采用應急處理方法，即將該元件所連接的兩換向片之間用短接線將該接地元件短接，此時電動機仍可繼續(xù)使用，但是電流及火花將會有所加大。 

電樞繞組短路

若電樞繞組嚴重短路，會將電動機燒壞。若只有個別線圈發(fā)生短路時，電動機仍能運轉，只是使換向器表面火花變大，電樞繞組發(fā)熱嚴重，若不及時發(fā)現并加以排除，則最終也將導致電動機燒毀。因此，當電樞繞組出現短路故障時，就必須及時予以排除。 

電樞繞組短路故障主要發(fā)生在同槽繞組元件的匝間短路及上下層繞組元件之間的短路，查找短路的常用方法有：
 

①短路測試器法與前面查找三相異步電動機定子繞組匝問短路的方法一樣，將短路測試器接通交流電源后，置于電樞鐵心的某一槽上，將斷鋸條在其他各槽口上面平行移動，當出現較大幅度的振動時，則該槽內的繞組元件存在短路故障。
 

②毫伏表法如圖所示，將6.3V交流電壓（用直流電壓也可以）加在相隔K/2或K/4兩換向片上，用毫伏表的兩支表筆依次接觸到換向器的相鄰兩換向片上，檢測換向器的片間電壓。在檢測過程中，若發(fā)現毫伏表的讀數突然變小，例如，圖中4與5兩換向片間的測試讀數突然變小，則說明與該兩換向片相連的電樞繞組元件有匝問短路。若在檢測過程中，各換向片問電壓相等，則說明沒有短路故障。
 

電樞繞組短路故障可按不同情況分別加以處理，若繞組只有個別地方短路，且短路點較為明顯，則可將短路導線拆開后在其間墊入絕緣材料并涂以絕緣漆，待烘干后即可使用。若短路點難以找到，而電動機又急需使用時，則可用前面所述的短接法將短路元件所連接的兩換向片短接即可。如短路故障較嚴重，則需局部或全部更換電樞繞組。
 

電樞繞組斷路

這也是直流電動機常見故障之一。實踐經驗表明，電樞繞組斷路點一般發(fā)生在繞組元件引出線與換向片的焊接處。造成的原因有：一是焊接質量不好，二是電動機過載、電流過大造成脫焊。這種斷路點一般較容易發(fā)現，只要仔細觀察換向器升高片處的焊點情況，再用螺釘旋具或鑷子撥動各焊接點，即可發(fā)現。
 

若斷路點發(fā)生在電樞鐵心槽內部，或者不易發(fā)現的部位，則可用圖所示的方法來判定。將6～12Ⅴ的直流電源連接到換向器上相距K/2或K/4的兩換向片上，用筆伏表測量各相鄰兩換向片間的電壓，并逐步依次進行測E。有斷路的繞組所連接的兩換向片（如圖中的4、5兩換向片）被毫伏表跨按時，有讀數指示，而且指針發(fā)生劇烈跳動。若毫伏表跨接在完好的繞組所連接的兩換向片上時，指針將無讀數指示。
 

電樞繞組斷路點若發(fā)生在繞組元件與換向片的焊接處，只要重新焊接好即可使用。若斷路點不在槽內，則可以先焊接短線，再進行絕緣處理即可。如果斷路點發(fā)生在鐵心槽內，且斷路點只有一處，則將該繞組元件所連接的兩換向片短接后，也可繼續(xù)使用；若斷路點較多，則必須更換電樞繞組。
換向器故障的檢修
 

片間短路故障

如判定為換向器片間短路時，可先仔細觀察發(fā)生短路的換向片表面的具體狀況，一般均是由于電刷炭粉在槽口將換向片短路或是由于火花燒灼所致。
 

可用拉槽工具刮去造成片問短路的金屬屑末及電刷粉末即可。若用上述方法仍不能消除片間短路，即可確定短路發(fā)生在換向器內部，一般需要更換新的換向器。
 

換向器接地故障

接地故障一般發(fā)生在前端的云母環(huán)上，該環(huán)有一部分裸露在外面，由于灰塵、油污和其他雜物的堆積，很容易造成接地故障。當接地故障發(fā)生時，這部分的云母環(huán)大都已燒損，而且查找起來也比較容易。修理時，一般只要把擊穿燒壞處的污物清除干凈，并用蟲膠漆和云母材料填補燒壞之處，再用可塑云母板覆蓋l～2層即可。
 

云母片凸出

由于換向器上換向片的磨損比云母片要快，因此直流電動機使用較長一段時間后，有可能出現云母片凸起。在對其進行修理時，可用拉槽工具，把凸出的云母片刮削到比換向片約低lmm即可。
電刷中性線位置的確定及電刷的研磨
 

確定電刷中性線的位置

常用的是感應法，如圖4.6所示，勵磁繞組通過開關接到l.5～3V的直流電源上，毫伏表連接到相鄰兩組電刷上（電刷與換向器的接觸一定要良好）。當斷開或閉合開關時（即交替接通和斷開勵磁繞組的電流），毫伏表的指針會左右擺動，這時將電刷架順電動機轉向或逆電動機轉向緩慢移動，直到毫伏表指針幾乎不動為止，此時刷架的位置就是中性線所在的位置。
 

電刷的研磨

電刷與換向器表面接觸面積的大小將直接影響到電刷下火花的等級，對新更換的電刷必須進行研磨，以保證其接觸面積在80%以上。研磨電刷的接觸面時，—般采用0號砂布，砂布的寬度等于換向器的長度，砂布應能將整個換向器表面包住，再用橡皮膠布或膠帶將砂布固定在換向器上，將待研磨的電刷放入刷握內，然后按電動機旋轉的方向轉動電樞，即可進行研磨。
 

隨著科學技術不斷發(fā)展，電動機及控制設備的技術性能也日益完善。在工作中如何正確的使用和掌握其性能，還需要我們在實際工作中不斷積累經驗，判斷電動機及控制設備存在的問題與故障處理，找出故障原因并加以分析，及時采取對策，以保證電動機及傳動設備的正常運行。通過本課題的研究，使我維修直流電動機的能力得到了鍛煉和提高。以后我會不斷努力的學習，使我在以后的工作中能夠得到有效的應用。