永磁有刷直流电机

　　基本原理

　　有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。[1]

　　有刷直流电机的工作原理图如图2-1所示。在有刷直流电机的固定部分有磁铁，这里称作主磁极;固定部分还有电刷。转动部分有环形铁芯和绕在环形铁芯上的绕组。图2-1所示的两极有刷直流电机的固定部分(定子)上装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装设电枢铁芯。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁芯上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

种类

　　①有刷盘式绕组电机。有刷盘式绕组电机以稀土材料粘结在一缸体上，漆包铜线绕成的盘式绕组置于缸体之内，构成转子。电机相位靠机械式换相器调整。机械式换相器是靠固定的炭制电刷与转动的铜制换相面摩擦来调整电压相位的。这种电机在使用中电刷一直在磨损，电机的寿命很难超过2000h。同时，由于电机的转速较高，必须采取两级齿轮减速，这就带来了两个问题，一是噪声较大，二是效率损失大，经减速后的电机额定效率往往只能达到68%～72%。而电动自行车所用的蓄电池的容量是有限的，一般就是36V/12Ah的容量，如电机效率不高，将使电耗增加，影响续行里程。

　　②有刷印制绕组电机。有刷印制绕组电机以印制铜箔板作为绕组，电机重量减轻了。由于这种电机全部是在自动生产线上生产的，工艺有可靠保证，从而使电机的寿命提高到3000h，噪声大幅度下降，效率提高到72%～76%。但这种电机有“嗡嗡”的高频噪声，靠齿轮减速后效率仍不理想，有刷换相器的使用使电机寿命无法再提高。

　　③有刷压制绕组电机。这种电机通过将绕制好的铜线压制成一种新型绕组，其效率可提高到74%～78%。这种电机仍然被较多电动自行车厂家采用，但其存在的效率、噪声、寿命缺陷仍然是必须改进的问题。

轮毂式有齿轮传动的有刷直流电机，由盘形电枢有刷电机和齿轮减速兼传动系统两部分构成。盘形电枢是高速转动的转子。轮毅式有齿轮传动的有刷直流电机的构造如图2-2所示。电机的转矩通过轴传递给第一级齿轮，经齿轮减速带动轮毂外壳转动。

　　有刷有齿轮毂电机的盘形电枢是薄片形，体积很小，重量特轻，安装方便。绕组编制好之后，用树脂加玻璃纤维放进模内热压成型，在运行中由于电刷和换向器摩擦，又有齿轮啮合减速，所以有刷电机的运行声音比无刷电机声音要大。

　　为了适应轮毂结构，将有刷电机设计成电枢放在外边作为转子，磁钢放在电机之内作为定子，多块磁钢配多个绕组，设计转速为180r/min左右的低速电机。图2-3(a)所示为电机外转子中尚未经过压力整形的电枢绕组，，在绕组以内是呈平面环状整齐排列的换向片。图2-3(b)所示的是放在外转子内的间隔排列着10块磁钢的定子，在中间的毂板上开有两个孔，电刷的刷握就设在孔的背侧，电刷带着导线被弹簧从刷握中弹出。

　　有刷电机的定子轴端套有一个螺母，其作用是防止在加工中损伤轴上的螺纹。把电刷整理好装入刷握中，然后将这一端送进图2-3(a)所示的孔中，电刷就可以接触换向器平面，借助弹簧的弹力对换向器压紧，而磁钢正好进入外转子绕组中，只留一个很小的环形气隙。这个环形气隙的直径越大，电机产生的转矩也越大。

　　由于有刷电机在设计中的改进，无须齿轮减速，可实现低噪声、低成本。很多低价位的电动自行车广泛采用了这种电机。但这种电机扭矩小，载重负荷小，爬坡能力不佳，使用时耗电较多，仍然采用机械式的电刷换相器，电机寿命问题尚未得到解决，因此中高档电动自行车均未采用这种电机。

　　用途

　　在舞台灯光方面，永磁直流电机，特别是小型永磁直流齿轮电机的用量非常大。计算机行业中的打印机、扫描仪、硬盘驱动器、光盘驱动器、刻录机、冷却风扇等都要用到大量的永磁直流电机。

　　汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、打气泵更是用到各种永磁直流电机。宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机等都用到永磁直流电机、在武器装备中，永磁直流电机广泛应用于导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

　　在工农业方面，永磁直流电机也广泛用于电气和自动化控制及仪器仪表中。在医用方面，永磁直流电机用处更不小，如医用的各种仪器、手术工具，如开脑手术中的电动锯骨刀，特别是野外手术中的各种仪器基本上都是用的永磁直流电机。在残疾人用品方面，如机械手、残疾车等都用到永磁直流电机。在生活方面，用处更多，连牙刷也用永磁直流电机做成电动牙刷了。永磁直流电机的应用真是举不胜举，可以说是无处不在。

　　随着时代的发展，永磁直流电机的应用会更多，原先用交流电机的许多场合均被永磁直流电机所替代。特别是出现永磁无刷电机后，永磁直流电机的生产数量在不断地上升。我国每年生产的各种永磁直流电机大达数十亿台以上，生产永磁直流电机的厂家不计其数。