?直流電機：換向器微型電機的旋轉原理

  以6槽3線(xiàn)圈的永磁直流電機為例，微型電機結構簡(jiǎn)答，工作原理如圖所示

圖一：觀(guān)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(gè)槽【A,a/B,b/C,c】，圖②中一條線(xiàn)，一條線(xiàn)圈引線(xiàn)從換向器頂端經(jīng)過(guò)A向對面延伸，與a對側連接。B-b、C-c線(xiàn)圈也有這樣的跨線(xiàn)，由圖可知換向器被分成3份，AC、Bc、ab的線(xiàn)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(jìn)行初始化設置，此時(shí)根據弗萊明左手定則，線(xiàn)圈各自產(chǎn)生旋轉轉矩。在此狀態(tài)下將轉子按順時(shí)針?lè )较蛐D30°，

  狀態(tài)變?yōu)閳D③所示。C-c線(xiàn)圈的兩端電壓皆為正，電流不流通。因此，C-c線(xiàn)圈無(wú)法產(chǎn)生轉矩。再將其向右旋轉30°，如圖④所示，圖中粗箭頭表示產(chǎn)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(dòng)，比較2槽電機與6槽電機會(huì )發(fā)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(shí)并無(wú)實(shí)際用途。原理上，在槽數較少的情況下，啟動(dòng)電機需要大轉矩，此時(shí)必須考慮轉矩波的計算。

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(chǎn)生的脈沖轉矩波。脫機狀態(tài)下的輸出軸無(wú)法順暢旋轉。此時(shí)，使用者要區別出需要慢速轉動(dòng)（或卡頓時(shí)操作）的位置和無(wú)需慢速轉動(dòng)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(xiàn)圈進(jìn)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。

圖三：定子磁場(chǎng)即使改變電源極性也不會(huì )發(fā)生反轉

  改變單相換向器微型電機的電源極性，旋轉方向會(huì )發(fā)生變化，但繞組勵磁型換向器電機仍會(huì )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(huì )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(fā)生變化，轉子磁場(chǎng)的磁性也會(huì )發(fā)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(dòng)單相換向器微型電機

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

圖四：線(xiàn)圈磁場(chǎng)型電機在交流電壓下的運轉

  電樞反作用、中性點(diǎn)與整流火花旋轉時(shí)電機磁場(chǎng)的中性點(diǎn)

  旋轉時(shí)的換向器微型電機由定子側永磁體或勵磁繞組產(chǎn)生磁通量。轉子繞組中有電流流通，仍可產(chǎn)生磁通量。因此，兩種磁通量會(huì )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(chǎng)兩極中垂線(xiàn)的位置。因電樞的反作用，磁通量方向發(fā)生變化。

圖五：大負荷產(chǎn)生的轉子反作用與中性點(diǎn)的位置關(guān)系

  將電刷置于中性點(diǎn)可防止火花飛濺

  電刷通常處于與磁場(chǎng)兩極中垂線(xiàn)的位置（電氣中性軸位置）。微型電機單向旋轉時(shí)，可將電刷放置于中性點(diǎn)，避免整流火花的不良影響。在現實(shí)生活中，對小型電機不會(huì )采取制作層面的措施，如移動(dòng)電刷位置，而是多采用改變轉子接線(xiàn)，形成進(jìn)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(chēng)為輔極的線(xiàn)圈，可修正磁通量偏移。也可采取使中性點(diǎn)返回適當位置的方法。

  如果電刷不在中性點(diǎn)上

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

圖六：轉矩電流的切換