直流電機

由直流電動機和發電機工作原理示意圖可以看到，直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。

主磁極的作用是產生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。

鐵心一般用0.5mm——1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬於極身，既可以調整氣隙中磁場的分佈，又便於固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上。

換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數目與主磁極相等。

電機定子的外殼稱為機座。機座的作用有兩個：

一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，並起整個電機的支撐和固定作用；

二是機座本身也是磁路的一部分，藉以構成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。

電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內蓋上，圓周位置可以調整，調好以後加以固定。

電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。

一般電樞鐵心採用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機運行時電樞鐵心中產生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉軸或轉子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內嵌放電樞繞組。

電樞繞組的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規律連接而成，線圈採用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁紮。

在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉換為電樞線圈中的交變電流，

使電磁轉矩的方向恆定不變；在直流發電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應產生的交變電動勢轉換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用雲母片絕緣。

轉軸起轉子旋轉的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

勵磁繞組與電樞繞組無聯接關係，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，永磁直流電機也可看作他勵或自激直流電機，一般直接稱作勵磁方式為永磁。

並勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相併聯，作為並勵發電機來說，是電機本身發出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為並勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。

串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯后，再接於直流電源。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。

復勵直流電機有並勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產生的磁通勢與並勵繞組產生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。

不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是他勵和串勵，其它勵磁方式，在電子工業的不斷完善下將逐漸被淘汰，直流發電機的主要勵磁方式有他勵、並勵和復勵方式。

國產電機型號一般採用大寫的英文的漢語拼音字母的阿拉伯數字錶示，

其格式為：第一部分用大寫的拼音字母表示產品代號，第二部分用阿拉伯數字錶示設計序號，第三部分用阿拉伯數字錶示機座代號，第四部分用阿拉伯數字錶示電樞鐵心長度代號。

直流電機裡邊固定有環狀永磁體，電流通過轉子上的線圈產生安培力，當轉子上的線圈與磁場平行時，再繼續轉受到的磁場方向將改變，因此此時轉子末端的電刷跟轉換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產生的洛倫茲力方向不變，所以電機能保持一個方向轉動。

直流發電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，

靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變為直流電動勢的原理。

感應電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指嚮導體運動方向，其他四指的指向就是導體中感應電動勢的方向）。

導體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用於電樞一個力矩，這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩），電樞就能按逆時針方向旋轉起來。

直流無刷電機的控制原理，要讓電機轉動起來，首先控制部就必須根據hall-sensor感應到的電機轉子所在位置，然後依照定子繞線決定開啟(或關閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經電機線圈產生順向(或逆向)旋轉磁場，並與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到hall-sensor感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環電機就可以依同一方向繼續轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機轉子反向則功率晶體管開啟順序相反。

基本上功率晶體管的開法可舉例如下：AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組，但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因為電子零件總有開關的響應時間，所以功率晶體管在關與開的交錯時間要將零件的響應時間考慮進去，否則當上臂(或下臂)尚未完全關閉，下臂(或上臂)就已開啟，結果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。

當電機轉動起來，控制部會再根據驅動器設定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟體運算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關導通，以及導通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部分工作就由PWM來完成。PWM是決定電機轉速快或慢的方式，如何產生這樣的PWM才是要達到較精準速度控制的核心。

高轉速的速度控制必須考慮到系統的CLOCK 解析度是否足以掌握處理軟體指令的時間，另外對於hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實時性。至於低轉速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的hall-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據電機特性適當配置控制參數值就顯得非常重要。或者速度回傳改變以encoder變化為參考，使信號解析度增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉順暢而且響應良好，P.I.D.控制的恰當與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機是閉迴路控制，因此回授信號就等於是告訴控制部電機轉速距離目標速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補償，方式有傳統的工程式控制制如P.I.D.控制。但控制的狀態及環境其實是複雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統的工程式控制制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統及神經網路也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。

直流發電機是把機械能轉化為直流電能的機器。它主要作為直流電動機、電解、電鍍、電冶鍊、充電及交流發電機的勵磁電源等所需的直流電機。雖然在需要直流電的地方，也用電力整流元件，把交流電轉換成直流電，但從某些工作性能方面來看，交流整流電源還不能完全取代直流發電機。

將直流電能轉換為機械能的轉動裝置。電動機定子提供磁場，直流電源向轉子的繞組提供電流，換向器使轉子電流與磁場產生的轉矩保持方向不變。

無刷直流電機是近幾年來隨著微處理器技術的發展和高開關頻率、低功耗新型電力電子器件的應用，以及控制方法的優化和低成本、高磁能級的永磁材料的出現而發展起來的一種新型直流電動機。

無刷直流電機既保持了傳統直流電機良好的調速性能又具有無滑動接觸和換向火花、可靠性高、使用壽命長及雜訊低等優點，因而在航空航天、數控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設備和家用電器等方面都獲得了廣泛應用。

按照供電方式的不同，無刷直流電機又可以分為兩類：方波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形都是矩形波，又稱為矩形波永磁同步電動機；正弦波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形均為正弦波。

無刷直流電機與有刷直流電機不同的是採用電子換向（霍爾感測器）代替了機械換向，由於沒有電刷與換向器的摩擦，所以具有使用壽命長、噪音低、轉速高的特點。

IM系列直流電機

IM系列交流伺服變頻（主軸）電機可與國內外各類高、中、抵擋變頻器或主軸變頻器配套，進行開環控制運行，或閉環控制運行，取得與配套普通交流電機完全不同的優異特性，廣泛應用於數控機床、建材、塑機、紡織、輕工機械、冶金、輸送線等需要調速的場合。

IM7系列交流伺服變頻（主軸）電機由定子、轉子、低噪音風機、高精度編碼器（開環控制時不需要）等組成，在進行結構優化設計，磁路優化的基礎上，採用F級特殊絕緣結構及整機加工和高精度動平衡工藝，使該電機具有如下優點：

◆結構緊湊，體積小，重量輕，功率密度高；

◆採用了特殊設計，電磁振動小，噪音低；旋轉精度高，恆轉矩及恆功率調速範圍寬；

◆轉子慣量小，響應速度快；

◆氣隙均勻，平衡精度高，轉矩脈動小；

◆全密封設計，防護等級IP54；

◆特殊F級絕緣結構，抗浪涌電流及電暈現象

◆耐衝擊，壽命長，運行可靠；

◆性能價格比高。

排除故障對於電機的定期維護是保證生產必須要做的工作事項，而維護的時間間隔可根據電機的形式考慮其，使用環境決定。據電工之家分析在有了一定的維護理論基礎，掌握設備的電動機工作原理的同時，為排除電動機故障做好了充分的準備，更能有效的進行分析和找出故障點，因此我們對排除電動機故障的方法進行闡述：

一、電阻法，通常是指利用萬用表的電阻檔，測量線路、觸點等是否通斷的一種方法。

二、電壓法，是指利用萬用表相應的電壓檔，測量電路中電壓值的方法。

三、電流法，即通過測量線路中的電流是否符合正常值，來判定故障原因。

四、替代法，在懷疑某個器件有故障，但不能確定，且有代用件時，可替換試驗，看故障是否恢復。

五、短接法，適用於低電壓、小電流迴路中，將懷疑短路的點用導線短接進行試驗。

六、直接檢查法，在了解電動機故障原因或根據經驗針對出現故障幾率高、或是一些特殊故障，可以直接檢查所懷疑的故障點。七、儀器測試法，藉助各種儀器儀錶測量各種參數，以便分析電動機故障的原因。

八、調試參數法，有些線路中元器件無損壞，線路接線良好，只是由於某些物理量調整不合適，使系統不能正常工作，這時應根據電氣工作原理及設備的具體情況進行調整。

九、比較、分析、判斷法，它是根據系統的工作原理、控制環節的動作程序以及它們之間的關係。結合電動機故障發生，分析和判斷，減少測量、檢查等環節迅速判斷故障發生的範圍。

以上幾種常用的方法，可以單獨使用，也可以混合使用，根據具體情況靈活運用。總的來說，只要電機使用正確，維護得當，發現直流電機故障時能夠及時處理，電機的工作壽命還是很長的。當然，為了保證電機正常工作，除了按操作規程正常使用、運行過程中注意正常監視和維護外，還應該進行定期檢查，做好電機維護保養工作。這樣可以及時消除一些故障，保證電機安全可靠地運行。