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。
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。
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
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
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。
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。
图6转矩电流的切换
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