直流电机的结构和原理

直流电机（见图2-26）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机[108]。它能实现直流电能和机械能互相转换[109]。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

图2-26　直流电机

1.结构组成

直流电机的结构由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成[110]。

1）定子。

（1）主磁极。主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁芯和励磁绕组两部分组成。铁芯一般用0.5～1.5 mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁芯上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。

（2）换向极。换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁芯和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁芯上，换向极的数目与主磁极相等。

（3）机座。电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，藉以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为了保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

（4）电刷装置。电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触；刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。

2）转子

（1）电枢铁芯。电枢铁芯是主磁路的主要部分，同时用于嵌放电枢绕组。一般电枢铁芯用由0.5 mm厚的硅钢片冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁芯中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁芯固定在转轴或转子支架上。铁芯的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

（2）电枢绕组。电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以称为电枢。它是由许多线圈按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上、下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁芯之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为了防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃丝带进行绑扎。

（3）换向器。在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。

（4）转轴。转轴起转子旋转的支撑作用，需要有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

2.工作原理

直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力。当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转动受到的磁场方向将会改变，因为此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也会改变。但是，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势依靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。

感应电动势的方向可按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。

导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个扭矩（又称力矩、转矩），这个扭矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向沿逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（如由摩擦引起的阻转矩以及其他负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

3.控制原理

要让电机转动起来，首先控制部就必须根据霍尔传感器（Hall-sensor）感应到的电机转子所在位置，然后依照定子绕线决定开启（或关闭）换流器（inverter）中功率晶体管的顺序，换流器中的AH、BH、CH（称为上臂功率晶体管）及AL、BL、CL（称为下臂功率晶体管），使电流依序流经电机线圈产生顺向（或逆向）旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时针或逆时针转动[111]。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动，直到控制部决定要电机转子停止，则关闭功率晶体管（或只开下臂功率晶体管）；要电机转子反向则功率晶体管开启的顺序与上述相反。如图2-27所示为直流无刷电机的控制过程。

图2-27　直流无刷电机的控制过程

上臂功率晶体管的开法如下：AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组，绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外，因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂（或下臂）尚未完全关闭，下臂（或上臂）就已开启，会造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令（Command）与霍尔传感器信号变化的速度加以比对（或由软件运算）再来决定由下一组（AH、BL或AH、CL或BH、CL或……）开关导通，以及导通时间长短[112]。速度不够则加长，速度过头则减短，此部分工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是实现精准速度控制的核心。

4.直流无刷电机

直流无刷电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品[113]。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称为无换向器电机[114]。早在19世纪电机诞生的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用[115]。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。20世纪中叶晶体管诞生了，采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机应运而生。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。

直流有刷电机（见图2-28）是典型的同步电机，由于电刷的换向使得由永磁磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直，从而产生最大转矩使电机运转起来[116]。但是，由于采用电刷以机械方法进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、电磁干扰以及寿命减短等缺点，再加上制造成本较高以及维修困难等缺点，从而大大限制了直流有刷电机的应用范围[117]。随着高性能半导体功率器件的发展和高性能永磁材料的问世，直流无刷电机（见图2-29）技术与产品得到了快速发展。由于直流无刷电机既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多长处，因而得到了广泛的应用[118]。

图2-28　直流有刷电机

图2-29　直流无刷电机(www.zuozong.com)

1）直流无刷电机的结构

从结构上分析，直流无刷电机与直流有刷电机相似，两者都有转子和定子。只不过两者在结构上相反，有刷电机的转子是线圈绕组，与动力输出轴相连接，定子是永磁磁钢；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起与输出轴相连接，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称为无刷电机[119]。直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度以及转子极数的影响：在转子极数固定的情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速[120]。直流无刷电机是将同步电机加上电子式控制（驱动器），控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机的特性[121]。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍然可以控制电机转子维持一定的转速。

2）直流无刷电机的工作原理

直流无刷电机的运行原理：依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，实现电机输出轴转动[122]。电机的性能不仅与磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关。而且与无刷电机的控制性能有关，因为输入的是直流电，电流需要通过电子调速器将其变成三相的交流电。

直流无刷电机按照是否使用传感器分为有感的和无感的[123]。有感的直流无刷电机必须使用转子位置传感器来监测其转子的位置。直流无刷电机的输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作[124]。转子位置传感器也由定、转子部分组成，转子位置传感器的转子部分与电机本体同轴，可跟踪电机本体转子的位置；转子位置传感器的定子部分固定在电机本体的定子或端盖上，以感受和输出电机转子的位置信号[125]。转子位置传感器的主要技术指标：输出信号的幅值、精度、响应速度、工作温度、抗干扰能力、损耗、体积、重量、安装方便性以及可靠性等[126]。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正弦机余弦旋转变压器式以及编码器等，其中最常用的是霍尔磁敏传感器。

直流无刷电机具有响应快、启动转矩大，并且具备从零转速至额定转速期间可提供额定转矩的性能。但是，直流无刷电机的优点也正是它的缺点，因为直流无刷电机要实现额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场必须维持在90°，这就要借助碳刷及整流子[127]。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花，除了会造成组件损坏之外，其使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，不需维护、坚固耐用、应用广泛，但是在特性上要达到相当于直流无刷电机的性能则必须采用复杂的控制技术。目前，半导体技术发展迅速，功率组件切换频率加快了许多，能够大幅度提升驱动电机的性能。微处理机速度也越来越快，可实现将交流电机控制置于一个旋转的两轴笛卡儿坐标系统中，适当控制交流电机在两轴的电流分量，达到类似直流无刷电机控制并有与直流无刷电机相当的性能[128]。

3）直流无刷电机的应用范围

直流无刷电机的应用十分广泛，汽车、电动工具、工业控制、自动化设备以及航空航天系统等都能看到其身影。总的来说，直流无刷电机主要有以下三种用途。

（1）持续负载应用。主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低并且多为开环控制[129]。

（2）可变负载应用。主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。例如，家用洗衣机甩干机和压缩机就是很好的实例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。

（3）定位应用。大多数工业控制和自动控制方面的应用都属于这个类别。这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。

4）直流无刷电机的控制策略

直流无刷电机示意图如图2-30所示。

图2-30　直流无刷电机转动示意图

直流无刷电机常用逆变器为电压源逆变器（VSI）。电压源逆变器对应的是电流源逆变器（CSI）[130]。VSI之所以运用较为广泛，是因为其成本、重量、动态性能和控制精度均优于CSI。两种逆变器在重量和成本方面的差异是由于VSI采用电容器进行直流耦合，而CSI需要在整流器和逆变器之间连接笨重的电抗器。VSI在动态响应能力上也与CSI有所不同。连接电抗器是为了满足CSI作为恒电流源需要较大的换向重叠角，以防止电机绕组中电流过快变化，进而抑制电机的高速伺服运行。但是，这样就会加大驱动系统中阻尼器的尺寸。对于CSI所期望得到的恒电流控制和恒转矩控制性能，在VSI中，也可通过其内部的电流控制环中滞后型电流控制而近似得到。

图2-31所示为直流无刷电机经典的转速和位置控制方案方框图。如果仅仅期望转速控制，可以将位置控制器和位置反馈电路去掉。通常在高性能的位置控制器中位置和转速传感器都是需要的。如果仅有位置传感器而没有转速传感器，那就要求检测位置信号的差异，在模拟系统中就要导致噪声的放大；而在数字系统中这不是问题。对于位置和转速控制的直流无刷电机，位置传感器或其他获取转子位置信息的元件是必须配置的。

许多高性能的应用场合为了实现转矩控制还需要进行电流反馈，至少需要汇线电流反馈来防止电机和驱动系统过流。这时，适当添加内电流闭环控制就能快速实现电流源逆变器那样的性能，而不需要添加直流耦合电抗器，驱动中的直流电压调节也可由作用类似直流电源的可控整流器来实现。

图2-31　经典转速和位置控制直流无刷电机系统方框图

5）直流无刷电机的特点

（1）可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速[131]。

（2）具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷和滑环结构。

（3）可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载。

（4）体积小、重量轻、出力大。

（5）转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小。

（6）可以无级调速，调速范围广，过载能力强。

（7）软启软停，制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置[132]。

（8）效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速损耗，综合节电率可达20%～60%。

（9）可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单。

（10）耐颠簸和振动，噪声低，振动小，运转平滑，寿命长。

（11）不产生火花，特别适合爆炸性场所。

（12）根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。