直流電機

直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉換成機械能（直流電動機）或將機械能轉換成直流電能（直流發電機）的旋轉電機。它是能實現直流電能和機械能互相轉換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉換為機械能；作發電機運行時是直流發電機，將機械能轉換為電能。

基本介紹

• 中文名：直流電機
• 外文名：direct current machine
• 分類：直流電動機、直流發電機
• 領域：工業等

組成結構

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厚的矽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，極靴寬於極身，既可以調整氣隙中磁場的分布，又便於固定勵磁繞組。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，

直流電機（圖1）

（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，並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，藉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，調好以後加以固定。

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。一般電樞鐵心採用由0.5mm厚的矽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。

直流電機（圖2）

（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）按一定規律連線而成，線圈採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紮。

（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，使電磁轉矩的方向恆定不變；在直流發電機中，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，換向片之間用雲母片絕緣。

直流電機（圖3）

（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。

主要分類

直流發電機

直流發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電機。

直流電機（圖6）

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。根據是否是否配置有常用的電刷-換向器可以將直流電動機分為兩類，包括有刷直流電動機和無刷直流電動機。

無刷直流電機是近幾年來隨著微處理器技術的發展和高開關頻率、低功耗新型電力電子器件的套用，以及控制方法的最佳化和低成本、高磁能級的永磁材料的出現而發展起來的一種新型直流電動機。

直流電機（圖7）

無刷直流電機既保持了傳統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點，因而在航空航天、數控工具機、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套用。

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。

勵磁方式

勵磁方式是指旋轉電機中產生磁場的方式，直流電機的勵磁方式分為四種：

他勵直流電機

勵磁繞組與電樞繞組無聯接關係，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。

並勵直流電機

並勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相併聯，作為並勵發電機來說，是電機本身發出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為並勵電動機來說，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後，再接於直流電源。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。

復勵直流電機

復勵直流電機有並勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產生的磁通勢與並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並勵式、串勵式和復勵式,直流發電機的主要勵磁方式是他勵式、並勵式和復勵式。

型號命名

國產電機型號一般採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。

直流電機（圖4）

工作原理

直流電機裡邊固定有環狀永磁體，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為直流電動勢的原理。

直流電機（圖5）

感應電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指嚮導體運動方向，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於電樞一個力矩，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感應到的電機轉子所在位置，然後依照定子繞線決定開啟(或關閉)換流器(inverter)中功率電晶體的順序，inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率電晶體)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率電晶體)，使電流依序流經電機線圈產生順向(或逆向)旋轉磁場，並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電晶體，如此循環電機就可以依同一方向繼續轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率電晶體(或只開下臂功率電晶體)；要電機轉子反向則功率電晶體開啟順序相反。
基本上功率電晶體的開法可舉例如下：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回響時間，所以功率電晶體在關與開的交錯時間要將零件的回響時間考慮進去，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、下臂短路而使功率電晶體燒毀。
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(或由軟體運算)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的CLOCK 解析度是否足以掌握處理軟體指令的時間，另外對於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。至於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。或者速度回傳改變以encoder變化為參考，使信號解析度增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉順暢而且回響良好，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迴路控制，因此回授信號就等於是告訴控制部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，方式有傳統的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態及環境其實是複雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統及神經網路也將被納入成為智慧型型P.I.D.控制的重要理論。