直流电机的特性和种类2、前面一章叙述的是由永久磁铁作定子、铁芯线圈作转子、带电刷的直流电动机的工作原理。

通常称为“永磁式有刷”直流电动机。

长期以来，这种电动机一直在被广泛地应用着。

除了永磁式有刷直流电动机外，还有其他几种直流电动机。

一种是有永久磁铁和电刷，但其转子没有铁芯，称为“无铁芯”直流电动机；另一种是定子采用电磁线圈代替永久磁铁称为“电磁式有刷”(绕线式)直流电动机，这种电动机的转子同定子一样，都采用铁芯线圈产生工作磁场。

绕线式电动机有三种形式。

定、转子线圈串联连接的称为“串励”电动机；并联连接的称为“并励”电动机；定子线圈一分两路，一路与转子串联连接，另一路与转子并联连接的称为“复励”电动机。

还有没有整流子和电刷的，根据电子切换原理控制定子电流的电动机称为“无刷”直流电动机；不连续旋转，而是以某一角度间歇转动的电动机称为“步进”电动机；不是旋转而是作直线运动的电动机称为“直线”电动机。

其中，无刷电动机和步进电动机虽然可划分在直流电动机范畴，但是只给它们提供直流电源是不够的，还必须给它们配置类似于交流伺服电动机的电子开关电路。

为了说明电动机的原理，通常都是从永磁式有刷直流电动机的特性说起。

’“输入电流和转矩成正比”是最基本的特性之一。

电动机的转矩也就是旋转力矩来源于放置在磁场中的转子线圈所受的“电磁力”(参见第34页)。

这个电磁力与磁场强度的强弱和流过线圈的电流的大小成正比。

定子采用永久磁铁的电动机磁场强度一定，所以它的电磁力的大小只与电流的大小有关。

也可以说电动机的输出转矩与转子电流成正比。

如果把上述转矩和电流的关系描绘成曲线，就会发现它是一条直线，通常还称为“线性”特性。

通过这条曲线可以看出，转矩和电流始；终是沿着那条斜线变化。

不管在曲线上哪一点，只要电流变化，转矩：就会跟着变化。

“转矩和转速成反比’是电动机的另一特性。

电风扇和玩具车等，都是电动机驱动的机械负载。

电动机不接负载的旋转称为“空载旋转”。

这个状态下的转速称为“空载转速’、电流称为“空载电流’。

电动机从空载状态开始旋转：负载逐渐加大。

右边图形就描述了这种状态下负载与转速的关系曲线。

这也是一条反倾斜直线，通常称转矩一转速特性为反比例特性。

当施加在电动机的电压变化时，曲线也随之做上下平移。

转矩一电流、转矩一转速、转速一电压等特性曲线都是直线，所以使得电动机的控制变得更为简单。

尤其是有了电流控制，使得电动机在启停时，都可以按所需要的加、减速任意设置了。

永磁式电动机由于定子使用的是磁铁，与绕线式电动机相比，它不需要另外增加产生磁场的电能；同时，转子又采用高磁通密度的铁芯，所以效率高是它的一个特点。

另外，使用整流子和电刷结构，可以不使用特殊的电子线路。

这些都是它的优点。

当然，使用这些结构亦有它的缺点。

由于整流子和电刷的机械接触，随着电动机转速的增加，势必产生噪声，这将限制了转子的高速旋转；由于磨损需要定期更换电刷和定期维护，这势必会减少它的使用寿命(参见第22页)；又由于电感线圈的存在，产生电气噪声等都是它转子采用硅钢片叠片铁芯，其重量加大了转子的转动惯性。

更重要的是转子铁芯和线圈之间，相对定子磁极的间隙随着转子的位置不同，对磁通的影响也不同。

因为磁通总是避开间隙较大的地方而是沿着间隙较小、导磁率较高的地方流过，所以转动中就有可能发生转矩为零的死区。

高速旋转时还不会出现什么问题，低速旋转时就有可能产生时快时慢，用术语来说是“齿槽效应’。

为了减小这种齿槽效应，人们下了很多工夫，比如增加转子极数、将转子铁芯形状做成扇形等。

综合考虑上述各种优缺点，永磁式有刷直流电动机是一种容易推广使用的电动机。

事实证明，很多产品的动作都是采用这种电动机驱动的。

所以，我们仅仅了解产品目录上标定的“额定电压”、“空载转速”、“最大转矩”是不够的，了解电动机的性能非常重要。

为了增加有刷直流电动机的磁力，通常在线圈中插入铁芯(芯)，但也有其缺点。

还有一种转子线圈不插铁芯的电动机，称为“无铁芯”电动机。

无铁芯电动机的转子线圈是由导线绕制而成的，分圆筒型和平板型。

圆筒型线圈的电动机称为圆筒电动机、扁平线圈的电动机称为平板型电动机。

圆筒电动机的定子永久磁铁安装在圆筒线圈的内侧，平板型电动机定子磁铁固定在圆盘上。

因为扁平线圈的绕制方法不同，使得它有别于“印制”型电动机和“薄片’线圈型电动机。

电动机不安装转子铁芯，使得惯性质量减小了；还可以减小由于铁芯外形引起的齿槽效应转矩。

这是机械特性上的优势。

另外，不安装铁芯，磁通量通过铁芯产生的涡流也不存在了，这就使得电气效率更高了。

电动机的电感量小，整流时产生的火花也可以减少，这是电气特长。

圆筒型电动机的转轴直径可以做得很小，大概可以做到几司米以内。

这样，可以减小电动机的长度，使得制造超薄型扁平电动机成为可能。

这将推动多种小型电动机的发展。

根据这些特性，虽然输出转矩不能太大，但是它的高速响应是极有使用价值的。

无铁芯电动机有着优良的控制性能．多用在小转矩输出的伺服控制系统上。

安装在火星探测器上，探测火星地面的机器人存储器，就使用MAXON公司的圆筒型无铁芯电动机。

录制和播放音乐等需要高精度转速的小型计算机设备的驱动电动机，多使用平板型无铁芯电动机誉最近，随着便携式计算机设备的出现，使得超薄扁平型无刷无铁芯电动机的应用范围更宽了。

并励电动机定子磁场以电磁铁代替永久磁铁，由这种定子组成的电动机称为“绕线式有刷”直流电动机。

又因为定子线圈与转子线圈是并联连接的，所以称为“并励式”电动机。

因为是并联连接，所以定子和转子线圈可以分别由不同的电源供电。

在电气线路上，电源与定子构成一个回路、电源与转子构成另外一个回路，这样就可以采用两个彼此独立的电源，避免两个通电线圈之间的相互影响。

定子线圈与电源接通时，产生的磁场强度与通入它的电流大小成正比，当流入并励线圈的电流恒定时，产生的磁场强度也恒定。

永磁式电动机的定子磁场是由磁铁产生的，所以它的磁场强度也是恒定的。

又因为大家都使用同一结构的转子，所以并励电动机的转矩一电流特性和转矩一转速特性与永磁式直流电动机有相同的线性特性。

与永磁式直流电动机相比，定子不使用高价格的永久磁铁，成本可以减少。

永久磁铁不容易制作，尤其是需要使用磁场强度很大的大型直流电动机。

而制造高强度电磁铁就容易得多了。

这是它的优点。

但是，电磁铁需要消耗额外的电流，使得效率有所降低。

．定子和转子的磁极方向是随着电流方向的改变而同时改变的，所以改变电源的正负极接线并不能改变电动机的转向的。

转子线圈与定子电磁铁并联连接“串励”电动机不同于并励电动机，它的定子和转子线圈是串联连接的，所以称为串励有刷直流电动机。

电气接线是从电源的一端起，通过定子线圈，然后再通过转子电刷整流子，最后回到电源的另一端，形成一个回路。

它的特点是定子与转子为同一电流。

串励直流电动机的电流增加时，定子和转子磁场同时增加。

转矩一电流特性为口杯形，也就是说转矩与电流的平方成正比。

这与磁场恒定的电动机相比，它的转矩增加的幅度可以很大，适合于大转矩输出的电动机。

另外，它还有空载转速高的特性。

串励电动机与并励电动机一样，不能通过改变电源的正负接线而改变电动机的转向。

从电流的角度看，改变电流方向时，由于定子和转子磁场同时改变方向，而磁场与电流的方向关系并没有改变，所以旋转方向也不能改变。

如果把定子励磁线圈分成两部分，一部分与转子线圈并联，另一部分与定子线圈串联，就构成了“复励电动机”。

因为这种电动机的结构可以分解成并励和串励结构，所以它的特性也恰巧在两者之间。

对于直流电动机来说整流子和电刷是不可缺少的，但它有弱点。

现在，通过电子开关线路取代机械接触式切换线圈电流的通断，从而产生了无刷电动机。

在结构配置上，无刷电动机既没有整流子和电刷，在定转子的磁场构成上也与有刷电动机截然不同。

无刷电动机的定子是由三组(也称“三相”)线圈组成的，其中每一相又是由在空间上相对的两个线圈组成。

装配线圈时应确保三相线圈在定子上均匀分布，并使它的各边都能依次以不同的角度切割转子。

当通入定子线圈的电流依次切换时，它的磁场就会按转子旋转方向旋转(所以称为“旋转磁场”)，同时驱动永久磁铁转子旋转。

实现上述功能的必要条件就定转子的磁极位置与定子电流切换的控制要配合好，所以必须检测转子磁极的位置。

一般使用霍尔元件作为磁极检测器。

无刷电动机不会产生由于电刷和整流子的机械接触而形成的磨损和火花，因而寿命长，适合于高速旋转。

但是启动时必须有单独的电源，还需电子开关线路的配合。

最近，已经研制出了一种可以取消磁极检测器的电子线路。

使得无刷电动机的结构变的更为简单了。

作为直流电动机的进化产品，从构造上无刷电动机已经可以与交流同步电动机等同对待。

事实上，这种无刷电动机已经在以“交流伺服电动机”控制的伺服控制领域崭露头脚。

还有VTR汽缸、收录机的磁带行走机构、CD播放机驱动机构等，既要求高速度旋转又要耐久性使用，还有需要高精度高转速的定位控制的机器人、NC工作机构的驱动机构等，使用这种电动机都十分适合。

“步进”电动机与普通连续旋转的电动机不同，它是按定位要求发出脉冲指令，驱动电动机旋转的。

从转动原理上看，由于这种旋转不需要切换转子电流，所以定子与转子磁极间的作用力是稳定的。

这也是它不能连续旋转的原因。

右边图形描述的是永磁式(permanent masnet)步进电动机的工作原理。

它的结构与无刷电动机相同，定子采用线圈磁场，转子则采用永久磁铁磁场。

定子线圈平面与转轴平行，其中总有1组称为“相”的线圈在通电工作。

这种电动机是按定子相线圈的个数命名的，5相就称为五相步进电动机。

对于步进电动机，当通入定子电流的相线圈产生的磁极与转子磁极相互吸引时，电动机处于稳定状态。

这一点与无刷电动机相同。

如果依次切换定子通电相线圈，当然切换应该是在转子磁极转到与定子通电相线圈的磁极正好相互吸引的位置，就能形成按相角之差的定位动作。

控制定子载流相的切换需要电子线路。

通过这个回路产生“脉冲信号”，完成定子载流相的切换．驱动电动机转动。

这种电动机的动作恰巧与刻度钟表的秒针相类似，都是依据动力定位原理。

除了永磁式步进电动机，实用中还有磁阻式和混合式步进电动机。

后两种与永磁式相比，有着更小的相角差。

它们都是利用定子和转子上的“齿槽”的位置关系控制电动机转动，以便完成更精确的定位控制。

磁阻式(Variable reluctance)步进电动机的转子采用铁磁性体，在定子磁铁的磁化作用下产生磁性。

这种电动机的圆筒形转子的外缘和定子的前端都分别加工一定数量的齿槽。

当定子产生的磁极吸引转子的磁极时，转子发生转动。

当转到两齿槽顶对顶的位置时，转子就停止转动。

因为这时的磁路间隙(空气隙)最小，磁通量集中，产生的电磁吸力最大，所以这是一个相对稳定的位置。