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    ?直流電機:換向器微型電機的旋轉原理


      換向器微型電機也就是有刷直流電機,換向器也叫做整流子,也只有直流電機才會用到換向器,那換向器微型電機的旋轉原理是怎樣的呢?


      以63線圈的永磁直流電機為例,微型電機結構簡答,工作原理如圖所示


    微型電機電路  

    圖一:觀察電路


      上圖為永磁微型直流電機的模擬截面圖,轉子上有6個槽【A,a/B,b/C,c】,圖②中一條線,一條線圈引線從換向器頂端經過A向對面延伸,與a對側連接。B-b、C-c線圈也有這樣的跨線,由圖可知換向器被分成3份,AC、Bc、ab的線圈末端連接在一起。


      持繼續旋轉的原理按圖將永磁體、電刷、電池進行初始化設置,此時根據弗萊明左手定則,線圈各自產生旋轉轉矩。在此狀態下將轉子按順時針方向旋轉30°,

     

      狀態變為圖③所示。C-c線圈的兩端電壓皆為正,電流不流通。因此,C-c線圈無法產生轉矩。再將其向右旋轉30°,如圖④所示,圖中粗箭頭表示產生的轉矩。如此反復,即可持續旋轉。



      考慮槽的意義——轉矩波


      生成的轉矩按照上述位置移動,比較2槽電機與6槽電機會發現兩者存在巨大差異,如圖二所示。2槽電機轉矩位于0°的位置時并無實際用途。原理上,在槽數較少的情況下,啟動電機需要大轉矩,此時必須考慮轉矩波的計算。


    微型電機轉矩波 

    圖二:轉矩波的比較齒槽轉矩及對策

     


      齒槽轉矩是由定子永磁體與轉子齒槽引起的磁力變化產生的脈沖轉矩波。脫機狀態下的輸出軸無法順暢旋轉。此時,使用者要區別出需要慢速轉動(或卡頓時操作)的位置和無需慢速轉動的位置。這就是齒槽轉矩的工作原理。如果不想應對齒槽轉矩,可采用奇數槽或扭轉鐵心轉子。

     


      單相換向器微型電機


      單相換向器微型電機的定子雖為繞組勵磁型,但直流電源下僅存在永磁鐵與電磁體的差異,旋轉原理基本相同。此處將定子磁體與線圈進行比較,如圖三所示,可清晰看出二者僅在永磁體和電磁鐵的方面存在不同,原理完全相同。


    微型電機磁場 

    圖三:定子磁場即使改變電源極性也不會發生反轉

     


      改變單相換向器微型電機的電源極性,旋轉方向會發生變化,但繞組勵磁型換向器電機仍會向同一方向繼續旋轉。永磁體型換向器電機的永磁體極性不會改變,但繞組勵磁型換向器電機中,一旦轉子中的電流方向發生變化,轉子磁場的磁性也會發生變化。這是由弗萊明左手定則得出的結論。為了使繞組勵磁型換向器電機反轉,需要只改變定子與轉子中某一方的極性。

     


      轉動單相換向器微型電機


      觀察單相換向器微型電機接入交流電時的情況。由圖可知,接入交流電時,定子的兩極隨交流電的周期改變。此時,轉子中的電流方向也隨著交流電周期改變。如圖四所示,并未改變旋轉方向。


    線圈磁場型電機 

    圖四:線圈磁場型電機在交流電壓下的運轉

     


      電樞反作用、中性點與整流火花旋轉時電機磁場的中性點


      旋轉時的換向器微型電機由定子側永磁體或勵磁繞組產生磁通量。轉子繞組中有電流流通,仍可產生磁通量。因此,兩種磁通量會在旋轉的電機內部形成合成磁通量。由圖五可知,受磁通量影響較小的中性軸,相對于旋轉方向,在負載的作用下偏離磁場兩極中垂線的位置。因電樞的反作用,磁通量方向發生變化。


    大負荷產生的轉子反作用與中性點的位置關系 

    圖五:大負荷產生的轉子反作用與中性點的位置關系


     

      將電刷置于中性點可防止火花飛濺


      電刷通常處于與磁場兩極中垂線的位置(電氣中性軸位置)。微型電機單向旋轉時,可將電刷放置于中性點,避免整流火花的不良影響。在現實生活中,對小型電機不會采取制作層面的措施,如移動電刷位置,而是多采用改變轉子接線,形成進角的方法。但在可調整電刷位置、更改電機細微特性的電機以及大型直流電機中配有稱為輔極的線圈,可修正磁通量偏移。也可采取使中性點返回適當位置的方法。



      如果電刷不在中性點上


      觀察電刷切換電流的瞬間,即可解開此謎。如圖六所示,線圈一旦在電刷中短路,電流便不會流入線圈,電壓為0時才能達到理想的整流狀態。延遲電流(i)產生的電抗電壓(di/dt),中性點位置偏離產生的磁通量(Φ)和線圈(N)共同作用會產生感應電圧NdΦ/dt)。兩者合成會產生線圈電感(L)中的電壓,在切斷電路的瞬間便會產生火花。


    轉矩電流的切換 

    圖六:轉矩電流的切換

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