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永磁有刷直流電機(jī)

基本原理

有刷電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。由于電刷和換向器的存在，有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障多，維護(hù)工作量大，壽命短，換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。

有刷直流電機(jī)的工作原理圖如圖2-1所示。在有刷直流電機(jī)的固定部分有磁鐵，這里稱作主磁極;固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動(dòng)部分有環(huán)形鐵芯和繞在環(huán)形鐵芯上的繞組。

圖2-1所示的兩極有刷直流電機(jī)的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對(duì)直流勵(lì)磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

永磁有刷直流電機(jī)

種類

①有刷盤式繞組電機(jī)。有刷盤式繞組電機(jī)以稀土材料粘結(jié)在一缸體上，漆包銅線繞成的盤式繞組置于缸體之內(nèi)，構(gòu)成轉(zhuǎn)子。電機(jī)相位靠機(jī)械式換相器調(diào)整。機(jī)械式換相器是靠固定的炭制電刷與轉(zhuǎn)動(dòng)的銅制換相面摩擦來調(diào)整電壓相位的。這種電機(jī)在使用中電刷一直在磨損，電機(jī)的壽命很難超過2000h。同時(shí)，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，必須采取兩級(jí)齒輪減速，這就帶來了兩個(gè)問題，一是噪聲較大，二是效率損失大，經(jīng)減速后的電機(jī)額定效率往往只能達(dá)到68%～72%。而電動(dòng)自行車所用的蓄電池的容量是有限的，一般就是36V/12Ah的容量，如電機(jī)效率不高，將使電耗增加，影響續(xù)行里程。

②有刷印制繞組電機(jī)。有刷印制繞組電機(jī)以印制銅箔板作為繞組，電機(jī)重量減輕了。由于這種電機(jī)全部是在自動(dòng)生產(chǎn)線上生產(chǎn)的，工藝有可靠保證，從而使電機(jī)的壽命提高到3000h，噪聲大幅度下降，效率提高到72%～76%。但這種電機(jī)有“嗡嗡"的高頻噪聲，靠齒輪減速后效率仍不理想，有刷換相器的使用使電機(jī)壽命無法再提高。

③有刷壓制繞組電機(jī)。這種電機(jī)通過將繞制好的銅線壓制成一種新型繞組，其效率可提高到74%～78%。這種電機(jī)仍然被較多電動(dòng)自行車廠家采用，但其存在的效率、噪聲、壽命缺陷仍然是必須改進(jìn)的問題。

輪轂式有齒輪傳動(dòng)的有刷直流電機(jī)，由盤形電樞有刷電機(jī)和齒輪減速兼?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。盤形電樞是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。輪毅式有齒輪傳動(dòng)的有刷直流電機(jī)的構(gòu)造如圖2-2所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過軸傳遞給第一級(jí)齒輪，經(jīng)齒輪減速帶動(dòng)輪轂外殼轉(zhuǎn)動(dòng)。

有刷有齒輪轂電機(jī)的盤形電樞是薄片形，體積很小，重量特輕，安裝方便。繞組編制好之后，用樹脂加玻璃纖維放進(jìn)模內(nèi)熱壓成型，在運(yùn)行中由于電刷和換向器摩擦，又有齒輪嚙合減速，所以有刷電機(jī)的運(yùn)行聲音比無刷電機(jī)聲音要大。

為了適應(yīng)輪轂結(jié)構(gòu)，將有刷電機(jī)設(shè)計(jì)成電樞放在外邊作為轉(zhuǎn)子，磁鋼放在電機(jī)之內(nèi)作為定子，多塊磁鋼配多個(gè)繞組，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為180r/min左右的低速電機(jī)。圖2-3中(a)所示為電機(jī)外轉(zhuǎn)子中尚未經(jīng)過壓力整形的電樞繞組，，在繞組以內(nèi)是呈平面環(huán)狀整齊排列的換向片。圖2-3中(b)所示的是放在外轉(zhuǎn)子內(nèi)的間隔排列著10塊磁鋼的定子，在中間的轂板上開有兩個(gè)孔，電刷的刷握就設(shè)在孔的背側(cè)，電刷帶著導(dǎo)線被彈簧從刷握中彈出。

有刷電機(jī)的定子軸端套有一個(gè)螺母，其作用是防止在加工中損傷軸上的螺紋。把電刷整理好裝入刷握中，然后將這一端送進(jìn)圖2-3中(a)所示的孔中，電刷就可以接觸換向器平面，借助彈簧的彈力對(duì)換向器壓緊，而磁鋼正好進(jìn)入外轉(zhuǎn)子繞組中，只留一個(gè)很小的環(huán)形氣隙。這個(gè)環(huán)形氣隙的直徑越大，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越大。

由于有刷電機(jī)在設(shè)計(jì)中的改進(jìn)，無須齒輪減速，可實(shí)現(xiàn)低噪聲、低成本。很多低價(jià)位的電動(dòng)自行車廣泛采用了這種電機(jī)。但這種電機(jī)扭矩小，載重負(fù)荷小，爬坡能力不佳，使用時(shí)耗電較多，仍然采用機(jī)械式的電刷換相器，電機(jī)壽命問題尚未得到解決，因此中高檔電動(dòng)自行車均未采用這種電機(jī)。