换向器电机的旋转原理

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换向器电机的旋转原理

EV技研

公众号EV技研作者19002019/07/22电动汽车 IP:北京

直流永磁电机以 6 槽 3 线圈为例

首先看永磁体磁场直流电机（多称为直流永磁电机），在此以简单的结构（6 槽 3 线圈）说明其工作原理（图 1）。

图1 观察电路

图 1 所示为模型电机的截面图，转子上有 6 个槽（A，a，B，b，C，c）。观察图 1（a），一条线圈引线从换向器顶端经过 A 向对面延伸，与 a 对侧连接。B-b、C-c 线圈也有这样的跨线，由图可知换向器被分成 3 份，AC、Bc、ab 的线圈末端连接在一起。持继续旋转的原理按图将永磁体、电刷、电池进行初始化设置，此时根据弗莱明左手定则，线圈各自产生旋转转矩。在此状态下将转子按顺时针方向旋转 30°，状态变为图 1（b）所示。C-c 线圈的两端电压皆为正，电流不流通。因此，C-c 线圈无法产生转矩。再将其向右旋转 30°，如图 1（c）所示，图中粗箭头表示产生的转矩。如此反复，即可持续旋转。

考虑槽的意义——转矩波

生成的转矩按照上述位置移动，比较 2 槽电机与 6 槽电机会发现两者存在巨大差异，如图 2 所示。2 槽电机转矩位于 0°的位置时并无实际用途。原理上，在槽数较少的情况下，启动电机需要大转矩，此时必须考虑转矩波的计算。

图2 转矩波的比较齿槽转矩及对策

齿槽转矩是由定子永磁体与转子齿槽引起的磁力变化产生的脉冲转矩波。脱机状态下的输出轴无法顺畅旋转。此时，使用者要区别出需要慢速转动（或卡顿时操作）的位置和无需慢速转动的位置。这就是齿槽转矩的工作原理。如果不想应对齿槽转矩，可采用奇数槽或扭转铁心转子。

单相换向器电机

单相换向器电机的定子虽为绕组励磁型，但直流电源下仅存在永磁铁与电磁体的差异，旋转原理基本相同。此处将定子磁体与线圈进行比较，如图 3 所示，可清晰看出二者仅在永磁体和电磁铁的方面存在不同，原理完全相同。

图3

定子磁场即使改变电源极性也不会发生反转

改变单相换向器电机的电源极性，旋转方向会发生变化，但绕组励磁型换向器电机仍会向同一方向继续旋转。永磁体型换向器电机的永磁体极性不会改变，但绕组励磁型换向器电机中，一旦转子中的电流方向发生变化，转子磁场的磁性也会发生变化。这是由弗莱明左手定则得出的结论。为了使绕组励磁型换向器电机反转，需要只改变定子与转子中某一方的极性。

转动单相换向器电机

观察单相换向器电机接入交流电时的情况。由图 3 可知，接入交流电时，定子的两极随交流电的周期改变。此时，转子中的电流方向也随着交流电周期改变。如图 4 所示，并未改变旋转方向。

图4 线圈磁场型电机在交流电压下的运转

电枢反作用、中性点与整流火花旋转时电机磁场的中性点

如图 3 所示，旋转时的换向器电机由定子侧永磁体或励磁绕组产生磁通量。转子绕组中有电流流通，仍可产生磁通量。因此，两种磁通量会在旋转的电机内部形成合成磁通量。由图 5 可知，受磁通量影响较小的中性轴，相对于旋转方向，在负载的作用下偏离磁场两极中垂线的位置。因电枢的反作用，磁通量方向发生变化。

图5—大负荷产生的转子反作用与中性点的位置关系

将电刷置于中性点可防止火花飞溅

电刷通常处于与磁场两极中垂线的位置（电气中性轴位置）。电机单向旋转时，可将电刷放置于中性点，避免整流火花的不良影响。在现实生活中，对小型电机不会采取制作层面的措施，如移动电刷位置，而是多采用改变转子接线，形成进角的方法。但在可调整电刷位置、更改电机细微特性的电机以及大型直流电机中配有称为辅极的线圈，可修正磁通量偏移。也可采取使中性点返回适当位置的方法。

如果电刷不在中性点上

观察电刷切换电流的瞬间，即可解开此谜。如图 6所示，线圈一旦在电刷中短路，电流便不会流入线圈，电压为 0 时才能达到理想的整流状态。延迟电流（i）产生的电抗电压（di/dt），中性点位置偏离产生的磁通量（Φ）和线圈（N）共同作用会产生感应电圧N（dΦ/dt）。两者合成会产生线圈电感（L）中的电压，在切断电路的瞬间便会产生火花。