直流電機(jī)

基本結(jié)構(gòu)

由直流電動機(jī)和發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看到，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)行時靜止不動的部分稱為定子，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)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(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(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(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)行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)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(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：
一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個電機(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）按一定規(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)生的交變電動勢轉(zhuǎn)換為正、負(fù)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(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

勵磁方式 

他勵直流電機(jī)

勵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磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵直流電機(jī)，永磁直流電機(jī)也可看作他勵或自激直流電機(jī)，一般直接稱作勵磁方式為永磁。
 

并勵直流電機(jī)

并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機(jī)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(jī)相同。
 

串勵直流電機(jī)

串勵直流電機(jī)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(jī)的勵磁電流就是電樞電流。
 

復(fù)勵直流電機(jī)

復(fù)勵直流電機(jī)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(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。
 

不同勵磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動機(jī)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(jī)的主要勵磁方式有他勵、并勵和復(fù)勵方式。

型號命名 

國產(chǎn)電機(jī)型號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：第一部分用大寫的拼音字母表示產(chǎn)品代號，第二部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示設(shè)計(jì)序號，第三部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示機(jī)座代號，第四部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示電樞鐵心長度代號。

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，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖儯虼舜藭r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)能保持一個方向轉(zhuǎn)動。
 

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

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力矩，這個力矩在旋轉(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(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時針方向旋轉(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)子目前所在位置，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/逆時轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)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(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動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，但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(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)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)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(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)到較精準(zhǔn)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(shí)時性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因?yàn)榛貍鞯膆all-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機(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，因此回授信號就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(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)的工程控制能完全掌握，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。
 

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機(jī)、電解、
電鍍、電冶煉、充電及交流發(fā)電機(jī)的勵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完全取代直流發(fā)電機(jī)。
 

直流電動機(jī)

將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)動裝置。電動機(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。
 

無刷直流電機(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機(jī)；正弦波無刷直流電動機(jī)，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(jī)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(nèi)底部，對其的判定可采用絕緣電阻表法或校驗(yàn)燈法，用絕緣電阻表測量電樞繞組對機(jī)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(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)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(shù)），然后用毫伏表的一支表筆觸及電動機(jī)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(jī)軸之間的電壓值。若被測換向片與電動機(jī)軸之間有一定電壓數(shù)值（即毫伏表有讀數(shù)），則說明該換向片所連接的繞組元件未接地；相反，若讀數(shù)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(yīng)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(diǎn)找出來后，可以根據(jù)繞組元件接地的部位，采取適當(dāng)?shù)男蘩矸椒?。若接地點(diǎn)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(dǎo)線與鐵心之間重新進(jìn)行絕緣處理就可以了。若接地點(diǎn)在鐵心槽內(nèi)，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(nèi)發(fā)生接地，而且電動機(jī)又急需使用時，可采用應(yīng)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(jī)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(yán)重短路，會將電動機(jī)燒壞。若只有個別線圈發(fā)生短路時，電動機(jī)仍能運(yùn)轉(zhuǎn)，只是使換向器表面火花變大，電樞繞組發(fā)熱嚴(yán)重，若不及時發(fā)現(xiàn)并加以排除，則最終也將導(dǎo)致電動機(jī)燒毀。因此，當(dāng)電樞繞組出現(xiàn)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(jī)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(dāng)出現(xiàn)較大幅度的振動時，則該槽內(nèi)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(xiàn)毫伏表的讀數(shù)突然變小，例如，圖中4與5兩換向片間的測試讀數(shù)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(diǎn)較為明顯，則可將短路導(dǎo)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(diǎn)難以找到，而電動機(jī)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(yán)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(jī)常見故障之一。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電樞繞組斷路點(diǎn)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(zhì)量不好，二是電動機(jī)過載、電流過大造成脫焊。這種斷路點(diǎn)一般較容易發(fā)現(xiàn)，只要仔細(xì)觀察換向器升高片處的焊點(diǎn)情況，再用螺釘旋具或鑷子撥動各焊接點(diǎn)，即可發(fā)現(xiàn)。
 

若斷路點(diǎn)發(fā)生在電樞鐵心槽內(nèi)部，或者不易發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(shù)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(shù)指示。
 

電樞繞組斷路點(diǎn)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(diǎn)不在槽內(nèi)，則可以先焊接短線，再進(jìn)行絕緣處理即可。如果斷路點(diǎn)發(fā)生在鐵心槽內(nèi)，且斷路點(diǎn)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(diǎn)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(xì)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(nèi)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(dāng)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(bǔ)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(jī)使用較長一段時間后，有可能出現(xiàn)云母片凸起。在對其進(jìn)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(yīng)法，如圖4.6所示，勵磁繞組通過開關(guān)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(dāng)斷開或閉合開關(guān)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(jī)轉(zhuǎn)向或逆電動機(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)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(yīng)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(nèi)，然后按電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動電樞，即可進(jìn)行研磨。
 

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，電動機(jī)及控制設(shè)備的技術(shù)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(shí)際工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，判斷電動機(jī)及控制設(shè)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(jī)及傳動設(shè)備的正常運(yùn)行。通過本課題的研究，使我維修直流電動機(jī)的能力得到了鍛煉和提高。以后我會不斷努力的學(xué)習(xí)，使我在以后的工作中能夠得到有效的應(yīng)用。