- 6 -浙江大学硕士学位论文 第2章 电机的基本知识
5．电枢铁心
电枢铁心的作用是通过磁通以及安放电枢绕组。当电枢在磁场中旋转时，铁心将产生涡流和磁滞损耗。为了减少损耗，提高效率，电枢铁心一般用硅钢片冲叠而成。电枢铁心有轴向冷却通风孔。铁心外圆周上均匀分布着槽，用以嵌放电枢绕组。
6．电枢绕组
电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量的转换。绕组通常用漆包线绕制而成，嵌入电枢铁心槽内，并按一定的规则连接起来。为了防止电枢旋转时产生的离心力使绕组飞出去，绕组嵌入槽内后，用槽楔压紧；线圈伸出槽外的端接部分用无纬玻璃丝带扎紧。
7．换向器
由许多带有鸽尾形的换向片叠成一个圆筒，片与片之间用云母片绝缘，借V形套筒和螺纹压圈拧紧成一个整体。每个换向片与绕组每个元件的引出线焊接在一起，其作用是将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，从而产生恒定方向的电磁转矩，使电动机连续运转[3]。
2.3 直流电机的工作原理
直流电动机在机械构造上与直流发电机完全相同，直流电动机的工作原理图如图2.2所示。电枢不用外力驱动，把电刷A、B接到直流电源上，假定电流从电刷A流入线圈，沿a→b→c→d方向，从电刷B流出。载流线圈在磁场中将受到电磁力的作用，其方向按左手定则确定，ab边受到向上的力，cd边受到向下的力，形成电磁转矩，结果使电枢逆时针方向转动，如图2.2a所示。当电枢转过90°时，如图2.2b所示，线圈中虽然无电流和力矩，但是在惯性的作用下继续旋转。
当电枢转过180°的时候，如图2.2c所示，电流仍然从电刷A流入线圈，沿d→c→b→a方向，从电刷B流出。与图2.2a比较，通过线圈的电流方向改变了，但两个线圈边受电磁力的方向却没有改变，即电动机只朝一个方向旋转。若要改变其转向，则必须改变电源的极性，使电流从电刷B流入，从电刷A流出才行。
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图 2.2直流电动机工作原理图
a)受 电磁力，逆时针转动 b) 不受电磁力，惯性转动 c) 受电磁力，逆时针转动 d) 不受电磁力，惯性转动
由以上分析可得直流电动机的工作原理是：当直流电动机接入直流电源时，借助于电刷和换向器的作用，使直流电动机电枢绕组中流过方向交变的电流，从而使电枢产生恒定方向的电磁转矩，进而保证了直流电动机朝一定的方向连续旋转[1][3]。
2.3.1 直流电机的励磁方式
直流电机的励磁方式是指电机励磁电流的供给方式，根据励磁支路和电枢支路的相互关系，分为他励、自励(并励、串和复励)、永磁方式。
1．他励方式
他励方式中，电枢绕组和励磁绕组电路相互独立，电枢电压与励磁电压彼此没有关系。
2．并励方式
并励方式中，电枢绕组和励磁绕组是并联关系，通过同一电源供电。 3．串励方式
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串励方式中，电枢绕组与励磁绕组是串联关系。 4．复励方式
复励电机的主磁极上有两组励磁绕组，其中一组与电枢绕组并联，另外一组与电枢绕组串联。当两组励磁绕组产生的磁通方向相同时，称为积复励，反之称为差复励。
5．永磁方式
随着永磁材料和功率电子元器件的不断进步，无刷直流永磁电动机得到了非常快速的发展，它们被广泛地用于工业、农业、国防、航空航天、现代科技和日常生活等各个领域。
因此，在电机技术的领域内，合理正确地设计无刷直流永磁电动机就成为了一个越来越重要的课题。
在有刷直流永磁电动机中，电枢绕组设臵在转子上，定子永磁体在气隙内形成激磁磁场。根据物理学定理，在此情况下，如果迫使电流在电枢绕组的某一根导体中流动，就会产生一个作用于该导体的电磁力，其表达式为
F=k1Bli
式中，F为力(N)；k1为一个常数；B为气隙磁通密度(T)；1为导体的长度(m)；i为导体内的电流(A)。
电枢绕组由多个线圈(或者称为元件)所组成，每个线圈又是由若干线匝所组成。如果电枢绕组的总串联导体数为Ⅳ，且N>I，并携带同样的电流，则电磁力的量的值为
F=k2BNli
式中，k2为一个常数。
在电动机内，作用在导体上的电动力对转子中心轴线形成一个力矩，迫使转子围绕中心轴线旋转。旋转电磁力矩的量的值为
M=K3RBNli
式中，M为电磁力矩(N．m)；k3为一个常数；R为导线所处位臵相对转子中心轴线的半径(m)。
在有刷直流永磁电动机中，定子主要是由永磁体磁极、导磁轭和电刷构件所组成，转子主要是由电枢绕组和换向器所组成。电枢绕组按照一定的规律与换向器相连接，两个相邻线圈之间存在一定的角位移。假如说，处在N极下的某一线圈从0°电角度位臵开始通电，转子便开始旋转，该线圈内的电流在气隙磁场内产
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生的旋转电磁力矩从0值开始由小到大，再由大变小，当转子转至180°电角度时，该线圈产生的旋转电磁力矩又回到0值。
这个时候，该线圈离开了N极，进入S极下面，该线圈内的电流方向被自动地切换(开关)成相反的方向。开关动作是借助若干个电刷和一个换向器的机械结构来实现的，这种电枢线圈内电流方向的变换被称为机械换向。这样，在有刷直流电动机的某一磁极下，虽然线圈导体在不断地更替，但是只要外加电压的极性不变，线圈导体中流过的电流方向始终不变，作用在电枢上的电磁转矩的方向也始终不变，电动机的旋转方向也将始终不变，这就是有刷直流电动机的机械换向过程的本质。
在无刷直流永磁电动机中，电枢绕组被设臵在定子上，永磁体磁极则被设臵在转子上。
定子的各相电枢绕组相对转子永磁体磁场的位臵，由转子位臵传感器通过电子方式或电磁方式感知；并且利用其输出信号，通过电子换向电路，按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连接的相应的功率开关晶体管，把电流开关换向到相应的电枢绕组。随着转子的转动，转子位臵传感器不断地发送出信号，从而使电枢绕组不断地依次通电，不断地改变通电状态，从而使得在某一磁极下的线圈导体中流过的电流方向始终不变，这就是无刷直流永磁电动机的无接触式电子换向过程的实质。
我们可以设想：在有刷直流永磁电动机中，如果把原先处于电动机内部的旋转电枢翻出来变成定子，而把所有被连接在机械换向器下面的电枢绕组的引线头抽出来，并且给每一个引线头都提供一个功率晶体管开关；而把原先处于外部的静止永磁体移入电动机的内腔变成转子，就可以把一台有刷型直流永磁电动机变换成一台无刷型直流永磁电动机。但是，这种实施方法必须包含大量的功率晶体管开关元件和与之相适应的转子位臵传感器，就目前科技得水平而论，这种方法很难实施，或者说还没有实用价值。因此，在当前的无刷直流永磁电动机中，定子电枢采用类似于一般交流电动机中的三相绕组，借助转子位臵传感器检测出转子永磁体磁场与定子电枢绕组三相轴线之间的相对空间位臵，通过逻辑信号处理和控制，从而来实现定子电枢三相绕组的电子换向。
永磁同步电机的应用范围：按照不同的工农业生产机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。
1．定速驱动--工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度
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单方向运行，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多都是采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低，结构简单牢靠，维修方便，很适合该类机械的驱动。但是，异步电动机效率、功率因数低、损耗大，而该类电机使用面广量大，所以有大量的电能在使用中被浪费了。其次，工农业中大量使用的风机、水泵往往也需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀来完成的，这其中又浪费了大量的电能。从70年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量，取得可观的节能效果，但变频器的成本又限制了它的使用，而且异步电动机本身的低效率依然存在。
比如，家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机，开关式控制其运行，噪声和较高的温度变化幅度是它的不足。在90年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速的优点促进了变频空调的发展。近年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果的同时进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动要的体积和重量为100%，而永磁无刷直流电动机的体积为38.6%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，效率提高10%以上，而且调速方便，价格和异步电动机变频调速相当。永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调的升级换代。
再比如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式，它的体积和重量大，效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无刷风机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地均使用着无刷风机。这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规格多，外框尺寸从15mm到120mm共有12种，框架厚度有6mm到18mm共7种，电压规格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，转速范围从 2100rpm到14000rpm，分为低转速、中转速、高转速和超高转速4种，寿命30000小时以上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。近年来的实践表明，在功率不大于10kW而连续运行的场合，为了减小体积、节省材料、提高效率和降低能耗等因素，越来越多的异步电动机驱动正在被永磁无刷直流电动机逐步替代。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外，还要功率较大的驱动器，故还比较少有应用。
2．调速驱动--有相当多的工作机械，其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求并不是非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、
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