組成結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。

定子

（1）主磁極

主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵(lì)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(lì)磁繞組的部分稱為極身，下面擴(kuò)寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個(gè)主磁極用螺釘固定在機(jī)座上，

（2）換向極

換向極的作用是改善換向，減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個(gè)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(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數(shù)目與主磁極相等。

（3）機(jī)座

電機(jī)定子的外殼稱為機(jī)座。機(jī)座的作用有兩個(gè)：

一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個(gè)電機(jī)的支撐和固定作用；

二是機(jī)座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)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(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動(dòng)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(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。

轉(zhuǎn)子

（1）電樞鐵心

電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時(shí)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(jī)運(yùn)行時(shí)電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。

（2）電樞繞組

電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按規(guī)律連接而成，線圈采用高強(qiáng)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(jìn)行綁扎。

（3）換向器

在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，

使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機(jī)中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)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(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

主要分類

直流發(fā)電機(jī)

直流發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能的機(jī)器。它主要作為直流電動(dòng)機(jī)、電解、

電鍍、電冶煉、充電及交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源等所需的直流電機(jī)。雖然在需要直流電的地方，也用電力整流元件，把交流電轉(zhuǎn)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取代直流發(fā)電機(jī)。

直流電動(dòng)機(jī)

將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。電動(dòng)機(jī)定子提供磁場，直流電源向轉(zhuǎn)子的繞組提供電流，換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變。根據(jù)是否是否配置有常用的電刷-換向器可以將直流電動(dòng)機(jī)分為兩類，包括有刷直流電動(dòng)機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)。

無刷直流電機(jī)是近幾年來隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和高開關(guān)頻率、

低功耗新型電力電子器件的應(yīng)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(xiàn)而發(fā)展起來的一種新型直流電動(dòng)機(jī)。

無刷直流電機(jī)既保持了傳統(tǒng)直流電機(jī)良好的調(diào)速性能又具有無滑動(dòng)接觸和換向火花、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電動(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和家用電器等方面都獲得了廣泛應(yīng)用。

按照供電方式的不同，無刷直流電機(jī)又可以分為兩類：方波無刷直流電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)；正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)，其反電勢波形和供電電流波形均為正弦波。

勵(lì)磁方式

勵(lì)磁方式是指旋轉(zhuǎn)電機(jī)中產(chǎn)生磁場的方式，直流電機(jī)的勵(lì)磁方式分為四種：

他勵(lì)直流電機(jī)

勵(lì)磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵(lì)直流電機(jī)，永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)或自激直流電機(jī)，一般直接稱作勵(lì)磁方式為永磁。

并勵(lì)直流電機(jī)

并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵(lì)磁繞組供電；作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來說，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。

串勵(lì)直流電機(jī)

串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)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(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流。

復(fù)勵(lì)直流電機(jī)

復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。

不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式,直流發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是他勵(lì)式、并勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式。[2] 

型號(hào)命名

國產(chǎn)電機(jī)型號(hào)一般采用大寫的英文的漢語拼音字母的阿拉伯?dāng)?shù)字表示，

其格式為：一部分用大寫的拼音字母表示產(chǎn)品代號(hào)，二部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示設(shè)計(jì)序號(hào)，三部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示機(jī)座代號(hào)，四部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示電樞鐵心長度代號(hào)。

工作原理

直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖儯虼舜藭r(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢，

靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢的原理。

感應(yīng)電動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢的方向）。

導(dǎo)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(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向，企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。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(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。

控制原理

直流無刷電機(jī)的控制原理，要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)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(jīng)電機(jī)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(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機(jī)轉(zhuǎn)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，但不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。

　　當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，控制部會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號(hào)變化的速度加以比對(或由軟件運(yùn)算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達(dá)到較速度控制的核心。

　　高轉(zhuǎn)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(shí)間，另外對于hall-sensor信號(hào)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(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動(dòng)則因?yàn)榛貍鞯膆all-sensor信號(hào)變化變得更慢，怎樣擷取信號(hào)方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)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(hào)分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號(hào)就等于是告訴控制部電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補(bǔ)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(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅(jiān)固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。