永磁式直流电动机的有趣工作过程

一台电动机最重要的特点就是能在通电的状态下转动，即实现电能到机械能的转换，那么永磁式直流电动机是如何实现这一转换过程的呢？下面我们深入学习永磁式直流电动机的转动原理中去，探究一下这个好玩的工作过程，从学习中找到乐趣。

1.永磁式直流电动机的特性

（1）永磁式直流电动机转矩的产生原理

由于导体在磁场中有电流流过时就会受到磁场的作用而产生转矩，这是电动机转子能够旋转的机理，如图3-5所示。转子绕组的导体有电流时，受到定子磁场的作用所产生力的方向，遵循左手定则，这就是电动机的起动转矩产生的原理。

图3-5 永磁式直流电动机转矩的产生原理

由此可见，增加转子的直径，加长转子轴向的长度，增强转子绕组的电流以及增强定子磁极的磁场都会增强电动机的转矩。

（2）永磁式直流电动机的反电动势

永磁式直流电动机外加直流电源后，转子会受到磁场的作用力而旋转，但是当转子绕组旋转时又会切割磁力线而产生电动势，该电动势的方向与外加电源的方向相反，因而被称为反电动势，如图3-7所示，所以当电动机旋转起来后，电动机绕组所加电压等于外加电源电压与反电动势之差，其电压小于起动电压。

2.永磁式直流电动机的转动原理

永磁式直流电动机工作时，转子绕组和换向器旋转，定子永磁体及电刷不转，转子绕组中的电流是电刷与换向器靠压力弹簧压力（或靠接）互相接触传送的；转子绕组电流方向的交替变化是随电动机转动的换向器以及与其相关的电刷完成的。

图3-8为永磁式直流电动机中各主要部件的关系图。

将永磁式直流电动机接通直流电源时，直流电源的正负极通过电刷、换向器与电动机的转子绕组接通，图3-9所示为永磁式直流电动机接通电源时，电动机中线圈的电流方向以及转子受力旋转方向。

可以看到，有刷电动机接通电源一瞬间时，直流电源的正、负两极通过电刷A和B与电动机的转子绕组接通，直流电流经电刷A、换向器1、绕组ab和cd、换向器2、电刷B返回到电源的负极。根据电磁感应理论，载流导体ab和cd在磁场中要受到电磁力的作用。

【资料】

左手定则是确定通电导体在外磁场中受力方向的定则。其判断方法如图3-6所示。即伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并都与手掌在同一平面内，让磁力线穿入手心（手心面向磁场N极），四指指向电流方向，拇指所指方向就是导体的受力方向。

图3-6 左手定则

图3-7 永磁式直流电动机的反电动势

图3-8 永磁式直流电动机主要部件的关系示意图

图3-9 电源接通瞬间有刷电动机线圈电流方向以及转子受力旋转方向

根据左手定则，由于导体ab中的电流方向由a到b，而导体cd中的电流方向由c到d，因此，两者的受力方向均为逆时针方向。这样就产生一个转矩，从而使电枢（转子）逆时针方向旋转。

图3-10所示为有刷电动机转子转过90°时的工作过程。当有刷电动机转子转过90°时，两个绕组边处于磁场物理中性面，且电刷不与换向器接触，绕组中没有电流流过，F=0，转矩消失。

图3-11所示为有刷电动机转子再经90°旋转的工作过程。由于机械惯性的作用，有刷电动机的转子将冲过一个角度（90°），这时绕组中又有电流流过，此时直流电流经电刷A、换向器2，绕组dc和ba、换向器1、电刷B返回到电源的负极。

【注意】

上述直流电动机转动过程中，一个线圈边从一个磁极范围经过中性面到相邻的异性磁极范围时，通过线圈的电流方向已改变一次，因而转子的转动方向保持不变。改变线圈中电流方向是靠换向器和电刷来完成的。

图3-10 有刷电动机转子转过90°时的工作过程

图3-11 有刷电动机转子再经90°旋转的工作过程(www.xing528.com)

3.永磁式直流电动机的转动过程

永磁式直流电动机有两极转子、三极转子和多极转子之分，其内部结构略有不同，因此其工作原理也有部分差异，但其基本的原理大致相同，下面我们以两极和三极两种永磁式直流电动机为例，介绍一下这种类型直流电动机的转动过程。

（1）两极转子永磁式直流电动机的转动过程

两极式转子是将转子铁心制成两翼形，每个翼片上绕一组绕组，共有两组绕组和两个换向器接线片，如图3-12所示，两个电刷分别接电源的正负极。

图3-13所示为两极转子永磁式直流电动机的转动过程。

（2）三极式转子的转动过程

三极式转子是将转子铁心制成三翼形，每个翼片上绕一组绕组，共有三组绕组和三个换向器接线片，但电刷仍为两个，分别接电源的正负极，图3-14所示为电刷与换向器、三相绕组的连接关系。

图3-12 两极转子永磁式直流电动机的结构原理示意图

图3-13 两极转子永磁式直流电动机的转动过程

图3-13 两极转子永磁式直流电动机的转动过程（续）

图3-14 电刷与换向器、三相绕组的连接关系

【注意】

由于转子工作时是旋转的，因此安装在转子上换向器也是旋转的，供电电源的引线不能与绕组引线或换向器引线焊接在一起，电源是通过压在换向器上的电刷进行供电，借助于弹性压力为转动的绕组供电，三片换向片在转动过程中与两个电刷的刷片接触，从而获得电能。

图3-15所示为三极永磁式直流电动机的结构与原理示意图，电源供电时，转子磁极是根据转角与电刷的接触状态变化。

图3-16所示为三极转子永磁式直流电动机的转动过程。

图3-15 三极转子永磁式直流电动机的结构与原理示意图

图3-16 三极转子永磁式直流电动机的转动过程

图3-16 三极转子永磁式直流电动机的转动过程（续）

【资料】

在家用电子电器产品和一些自动控制的机电系统中，大多微型或小型电动机为直流电动机，还有一种常见的电动机称为步进电动机。步进电动机是一种由脉冲驱驱动的电动机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制器件。在负载正常的情况下，步进电动机的转速、停止的位置（或相位）只取决于驱动脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响。

当步进电动机驱动器接收到一个脉冲信号时，该信号就会驱动步进电动机按设定方向转动一个固定的角度。如空调器室内机中的导风板电动机，复印机、打印机中的字车驱动电动机等。该角度称为“步距角”。步进电动机的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量。从而达到确定的目标；同时可以通过控制脉冲的频率来控制步进电动机转动的速度和加速度，从而达到调整的目的。

目前，常用的步进电动机可分为感应式（可变磁阻）步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）和混合式步进电动机（HB）。图3-17所示为永磁式步进电动机的结构。

图3-17 永磁式步进电动机的结构