直流电动机,直流无刷电机都是电机控少不了的知识必备

在世界上的工业发展过程中，电机的出现可以说是具有革命性的成果，因为电机的驱动是工业发展的基础，其中直流电机就是最为经常使用的一种，直流电动机是指将直流电送到直流电机，把直流电机的电能转换成机械能。在直流电动机中，根据励磁绕组连接方式的不同，可分为他励、并励、串励和复励四类电动机、而在调速系统中用得最多的是他励电动机。近年来，我国中小型电机和微特电机行业发展迅速，其中无刷直流电机以其高效低噪等特点逐渐取代有刷电机，成为行业应用的一颗新星。这一点，在中国领先的外包服务平台快包上有着较为突出的体现。据悉，在快包100+的电机控制任务中，无刷电机以78%的占比几近垄断了平台电机控制任务需求。本文就为那些电机控的人群介绍一下关于电机的基本相关知识。

直流电动机

一、直流电动机分类

直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。

1、复励直流电动机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。

复合直流电机的磁场和电枢串联连接在一起，同时也提供了一个分离的场激励源。串联的场能提供更好的启动转矩，而分离的场则能提供更好的速度调节。

2、串励直流电动机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。串联电机的一个特点是其带有较大的起动转矩。然而，其在空载和满负荷时的速度差异也很大。串联电机并不能在负载变化时依然保持一个恒定的速度。

3、并励直流电动机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

单独的磁场线圈的激励源的一个好处是能够独立控制电枢和磁场，从而为电机提供不同的速度。并联连接的电机能够简单地进行反转控制。对双向驱动特别有益，比如说在电动汽车的应用中。

4、他励直流电动机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机。M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。

二、直流电动机工作原理

直流电动机的基本工作原理是建立在电磁感应和电磁力的基础上的。它主要由磁极、电枢、电刷及换向片(又称整流子或转换器)等三大部分构成。

N、s两个磁极在工作时固定不动，故又称定子。定子磁极用于产个主磁场。在永磁式直流电动机中(一般为小功率的直流电动机)，磁极采用永磁材料制成。充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流电动机中，磁极由冲压的硅钢片迭加而成；外绕励磁线圈，由外加励磁电流才能产生磁场。在磁极的内側有一个安装在轴承上可以转动的铁心。

电枢是直流电动机中的转动部分，故又称转子。它由硅钢片叠成，并在表面嵌有绕组(电枢绕组)。绕组的起头和终端接在与电枢铁心同轴转动的一个换向片上，同固定在机座上的电刷联接，而与外加的电枢电源相连。

当电枢绕组中通过直流电时，在定子磁场的作用下就会产生带动负载旋转的电磁力和电磁转矩，驱动转子旋转。

三、直流电动机故障分析及处理方法

1、轴承过热有异声

原因：轴承温度较高，轴承有异声。

处理方法：检查润滑情况，是否需要加油，所加的油脂是否符合要求；检查轴承是否磨损，有杂质，应清洗或更换轴承。

2、电机冒烟

原因：励磁电流过载，主极线圈冒烟，电枢电流太大过载，电枢冒烟，电枢或主极线圈有匝间短路冒烟，电机端电压太低，起动频繁，电枢与定子间有相擦。

处理方法：减少励磁电流，减少负载，停机由专业人员检查，提高端电压，延长起动间隔，检查定转子气隙。

3、电刷火花太大

原因：电刷与换向器接触不良，刷握松动或位置不正，换向器表面不光洁，电刷磨损过度，电刷位置不在中心线，电机底脚松动引起电机振动，电枢线圈与换向器脱焊，换向极线圈有断路现象，电刷牌号、尺寸不符合要求，电机振动大。

处理方法：研磨电刷接触面并轻载磨合30min，使电刷的接触面达75%以上，紧固和纠正刷握位置，清洁或研磨换向器表面，按原牌号电刷及尺寸更换新刷，调正刷杆座至原有记号位置，紧固底脚螺栓，补焊，找出断路点进行修理，更换符合要求的电刷，、电枢进行动平衡试验。

4、电机发热

原因：电机的励磁电流太大过载，风机的过滤器堵塞、污染或风机反转，冷却器的风扇反转、内部过滤器堵塞、冷却水断水或水压太低，温度控制器及差压开关设定太高，电机负载太大。

处理方法：将励磁电流调至额定励磁电流，清理过滤器，调正风机转向，调正风扇转向，清理内部过滤器，检查冷却水的 水量/水压，检查温度控制器及差压开关的设定，减少负载。

5、电机振动大

原因：电机的底脚螺栓松动，电机的基础松动，电机的安装基础与机械之间产生共振，电控系统未调好，形成某一段电流波形不连续使 电机有强烈的振动感，电机电枢的平衡块脱落，机组连接不同轴

处理方法：紧固底脚螺栓并校对好连轴器跳动，将基础采取有效的加固措施，加装缓冲垫块，加强基础支承点，改变固有频率，调好控制系统，保持电机在工作范围内电流波形的连续性，电枢重新懂平衡试验，重新对准机组。

6、电机不能启动

原因：一励磁电源断电或未接通使主电路锁死，保护系统未调好或已锁定，冷却系统未先启动，控制系统有故障，输入电机的电缆断路，负载太大。

处理方法：检查励磁电源，接通电源，正确调整保护系统的设定，按规定操作程序操作，先启动冷却系统，启动励 磁再启动电机，由专业人员来修理控制系统，检查电机的接线，减小负载。

四、直流电动机日常保养

1、预防性维护

对换向器表面的清洁，应使用干燥纯净的压缩空气吹扫，不能使用任何液体溶剂，它们会造成换向器表面、云母、玻璃无纬带等材料的烧蚀。工业酒精也应尽量避免使用。

换向器玻璃无纬带中渗入污物后，其片间电压作用于污物上，电流流过，造成发热、烧灼，烧焦的无纬带在自身缠绕张力的作用下易断裂，引起内部器件的损坏。为此，一旦发现无纬带烧焦、燃烧，就必须予以更换。

换向器有轻微条纹或凹槽，可以采取研磨或抛光方式处理。可用干净粗布擦拭换向器，有利于形成和保持换向器氧化膜。

当换向器表面异常粗糙，有较深的条状、槽状磨痕，换向时噪声很大，换向火花严重，或者出现碳刷磨损加剧，则需要对换向器进行车削处理。

2、刷架中心线的调整

电机制造厂一般把碳刷定位在磁极几何中性线上，进行两个转动方向的调整。在某些轧钢厂，电机的转动方向是单一的。在这种情况下，可以适当调整碳刷刷架，来改善特定方向的换向状况，减小甚至消除换向火花。

刷架中心线的调整应仔细，并做好相应的标记。刷架每次移动不得超过2mm，调整后需在正常负荷下运行至少5min，以确定刷架调整位置是否适当。如果换向状况变好，则以此为基点再进行微调，每次在正常负荷下至少运行5min，直到找到最佳换向状态。

如果在第一次调整后，换向状况变差，则需向相反方向调整刷架。对直流电机来说，沿电枢旋转方向移动刷架，会减少换向补偿效果；反之，如果逆着电枢旋转方向移动刷架，则换向补偿作用加强。

如果刷架调整对换向没有明显的改善，则应该把碳刷刷架移回到初始标记位置上。

3、碳刷的布置

直流电机换向器刷握杆上的碳刷一般是平均布置的。但在需要对碳刷数量进行调整时，就必须重新布置。图1中，直流电机刷握杆上装有8只碳刷，如需减少碳刷使用数量，则要依次去掉1#、8#、2#、7#轨道的碳刷。如果换向器表面出现线状和槽状刻痕，或局部有烧灼痕迹，为了改善换向，应把碳刷移到空闲且状况较好的轨道上。

4、碳刷数量的最优配置

直流电机中碳刷数量应满足国标规定的负荷能力。按照《Z系列中型直流电动机技术条件》ZBK23 001-89中的要求，金属轧机用直流电动机应能承受如下连续过载：①在额定电压、转速下，带115％额定负载连续运行；②在额定电压、转速、负载连续运行之后，紧接着以125%额定负载运行2h。

5、碳刷的选用

碳刷的选用应综合其材料类别、电阻系数、密度、允许电流密度、允许速度、抗弯强度、硬度等技术参数进行优选。

五、直流无刷电机是在直流电机基础上发展出来的

在传统直流电机基础上发展起来的永磁无刷直流电机，在结构上两者基本一致，不同的是永磁无刷直流电机的电枢绕组置于定子上，这点类似于交流电机的绕组，同时一般采用多相的形式，其中目前情况下三相应用的最多；其转子为永磁体，并且采用电子换向，定子磁场与转子永磁磁场之间的相互作用产生电磁转矩。永磁无刷直流电机根据永磁体的形状和磁路结构的不同，其气隙磁场波形有方波、梯形波、正弦波三种，反电势的波形对应相同。

六、直流无刷电机的工作原理

无刷直流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。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。

交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。

此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(analog-to-digital converter，adc)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，pwm)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。原文地址：http://www.pikacn.com/news/201611/5281.html

七、直流无刷电机使用常识

1、测试吸收比K

当吸收比大于1.33时，表明电机绝缘不曾受潮或受潮程度不严重。为了跟以前数据进行比较，同样要将任意温度下测得的吸收比换算到同一温度。

2、选用合适电压的兆欧表测试电机绝缘电阻

为了跟上次检修时所测的绝缘电阻值相比较以判断电机绝缘变化趋势和绝缘状态，应将不同温度下测出的绝缘电阻值换算到同一温度，一般换算至75℃。

3、做记录

切断电源 ，拆除电机外部接线，做好记录。

4、检查实验

为了进一步了解直流无刷电机运行中的缺陷，有条件时可在拆卸前做一次检查试验。为此，将电机带上负载试转，详细检查电机各部分温度、声音、振动等情况，并测试电压、电流、转速等，然后再断开负载，单独做一次空载检查试验，测出空载电流和空载损耗，做好记录。

5、工具

准备好解体所需工具（包括专用工具）和设备。

6、基础知识

熟悉电机结构特点和检修技术要求。

7、清理环境

选择电机解体的工作地点，清理现场环境。

8、日常擦拭

在拆卸前，要用压缩空气吹净电机表面灰尘，并将表面污垢擦拭干净。

八、直流无刷电机与步进电机的区别

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。直流无刷电机是一种高性能的电动机，它的最大的特点就是直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触的结构，它采用了永磁体转子，没有励磁的损耗，发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易。两者之间的区别如下。

1、控制精度不同

基于驱动的原理不一样，所以一般直流无刷电机用于控制精度要求不高的地方，步进电机就用于控制精度要求比较高的地方。

2、驱动原理不同

直流无刷电机和步进电机的驱动原理不同，直流无刷电机是靠霍尔元件定位来提供的交变电源控制转动的。步进电机是靠单项脉冲电压直接驱动的，不需要霍尔元件定位，可以通过控制加给电机的脉冲个数，来精确定位旋转的角度；

3、转速不同

直流无刷电机比步进电机的转速高；

九、直流无刷电机的使用范围

1、电动车用无刷直流电机

目前电起动摩托车的起动电机和磁电机是两台各自独立的电机，发动机结构复杂，超越离合器打滑时会严重影响电动车的起动特性，起动电机通过电刷换向，电刷磨损严重，需要经常维护。

直流无刷起动磁电机是将直流无刷起动电机与磁电机合二为一，井将电子换向技术应用于起动电机，它省掉了减速机构和超越离台器，有效地简化了发动机结构，提高了运行可靠性，将成为今后的发展主流。本案例的雇主便是嗅到其中商机决心开发无刷直流电机电动车。

2、家电用无刷直流电机

空调和冰箱中都有压缩机电机，传统的压缩机用电机通常为异步电机，其频率和功率因数较低，采用变频技术以后，情况有所改善。2009年末，英国戴森公司第一款无叶风扇出世，标志着无刷直流电机由工业应用向智能家电的渗透。

如今，家用吸尘器，搅拌机，电吹风机，摄像机和电风扇等其它电器也在逐步采用无刷直流电机代替传统的的单相异步电机。无刷直流电机不仅能克服传统家用电机的部分缺点，给人们的居家生活带来更高的舒适性，还能降低能源损耗，更好的实现能源的可持续性。以下笔者将以快包发布的“吊扇无刷电机控制器”予以说明。

3、医疗器械用无刷直流电机

随着国内医疗技术水平的发展和人们生活水平的提高，对医疗器械的实用性以及体验度要求亦日益严苛。如骨科医疗器械由于手术的需要，要求其动力系统能在较宽的范围连续变速，以适应铣缝、钻孔、锯等种场合的要求。现有骨科医疗器械用驱动电机是单相交直流串励电机及电压调节器，噪声非常大。

由于电刷和换相器的存在，致使手术前无法消毒，给手术的效果造成一定的影响，需要定时更换电刷及电机维护。而无刷直流电机却不存在以上隐患，作为驱动系统，其低噪音、宽范围调速、体积小、重量轻等特点，无疑是医疗器械的最佳选择。

4、汽车用无刷直流电机

随着汽车向节能和环保方向的发展，包括无刷直流电机在内的高效永磁电机在汽车中具有很好的应用前景。电机除了可以作为汽车驱动的核心部件外，还可以用在汽车空调、雨刮器、电动车门安全气囊、电动座椅等驱动上。笔者从旁了解到，快包平台的“带霍尔传感器的直流电机控制”案例即用在汽车上的雨刮器驱动。

5、工业设备用无刷直流电机

工业应用场景对设备的精度、效率、性能等都有着较高的要求。在一些要求精确控制速度和位置的轻工机械中大多采用无刷电动机。如快包平台发布的“电机控制保护，状态监测”任务就是应用在工业投料机上。

十、直流电动机视频

总结：对于电机的出现以及发展期贡献当然是不用说太多的，毕竟作为工业发展的一个强势支持，电机对于现代的很多工业相关方面具有举足轻重的作用，关于这一点，可以通过上面的直流无刷电机的应用范围可以看出来。