有刷直流馬達太普通不過了,在好多電動工具和玩具中都大量存在。它的工作原理也很簡單,在小學課本中就講過。
直流有刷馬達
幾乎每位使用過直流有刷馬達的人都堅定自己完全明白而且早已把握了它的工作原理,甚至還可以給他人講出它的道理。
這種原理無論如何講,模式幾乎是一樣的。無論是勾畫靜態的原理圖,還是使用動圖,甚至是3D圖形,實際上所講解的道理都是一個模子倒下來的,之所以如此講,由于這樣講解比較簡單,而不是說它一定正確。
沒錯,我們是如此聽來的,也是如此理解直流馬達。直至有三天,當你拆開了一個直流馬達,發覺自己似乎受騙了。
馬達機殼、內部的吸鐵石、換流的導輪都和課堂上講的幾乎一模一樣。
直流馬達機殼、定子、電刷
假如注意到軸套的位置,它也是分別處在馬達繞組上永吸鐵石的NS極對應的中軸線上。這與上面講解原理都是相同的。
直流有刷馬達軸套
這么究竟那里出了問題?對,問題出在定子的結構上,如何和原先講的不一樣了呢?
首先,定子不再是空心的線圈,而是由導磁很強的硅鋼片壓疊而成的實心釹鐵硼,并分成三個磁體,線圈是纏繞在磁體上的。。
其次,線圈不再是一個線圈,而是三個線圈。
直流有刷馬達定子
此外,那就是換流環,它如同烏龜的嘴一樣,也是分成三瓣的。
直流有刷馬達換流環
三個定子是串聯在一起,產生三角形聯接形式。之后三個公共端分別聯接在換流環的上。
換流環的空隙正對著線圈的中心線,這一點倒是與上面簡單原理圖所講解的是一致的。
直流有刷馬達換流環
不僅定子呈現奇怪的三瓣之外磁力矩,馬達繞組上的永吸鐵石也與傳統講解原理圖有區別。
永吸鐵石呈現為兩個半方形,靠近在馬達矩形殼體上。見到這,很難相信它還能產生平行的磁場。最至少在緊靠吸鐵石區域的磁場應當呈現指向圓心的方向,而不是平行磁場。
莫非就沒有根據實際直流馬達構造來講解原理的嗎?
是有的,并且講解的不清楚。例如下邊的動圖將實際馬達定子線圈聯接關系勾畫的很清楚,但定子的幾何結構與實際馬達相差很大。
下邊的動圖倒是將定子的幾何結構表現的挺好,但將導輪的位置勾畫錯了。電樞應當與轉子NS磁體平行。
實際的直流有刷馬達之所以不能否根據小學教科書中介紹的原理那樣制做,是由于那樣的馬達有眾多的缺陷,這種缺陷在中學課本上是不講的。
首先磁力矩,利用于定子釹鐵硼,可以大大降低定子線圈的磁阻,在相同的定子電壓的作用下,定子的磁路量大大降低,增強了扭矩,近而降低了銅損。
使用硅鋼片壓疊而成定子釹鐵硼可以減少渦流帶來的撓度。
直流馬達的導輪
其次,使用三個線圈代替單個線圈,是為了清除機械扭力死點。在換流時,定子磁場與轉子磁場平行,此時力磁扭力為零,此時馬達未能啟動。使用三個線圈,則不會有扭力平衡點。
根據小學書中介紹的直流馬達原理,定子線圈是在平行磁場內旋轉。這么通過線圈的磁路量的變化應當是隨著旋轉角度呈現余弦變化,由此所形成的感應電動勢則應當是余弦電流。
實際的導輪沒有毛,而且有齒。
在齒的中間還有被換流環磨出的凹槽
但實際的直流馬達定子線圈里的磁場變化是隨著時間線性降低和線性降低的,由此在線圈里形成的感應電動勢是直流電流,這與外部施加的直流驅動電流是一樣的。
之所以直流馬達定子線圈內的磁路量是線性變化,這是因為兩片轉子吸鐵石呈現矩形分布在馬達機殼,吸鐵石表面的磁場硬度是均勻的。
當定子的一個磁體經過兩片轉子吸鐵石NS分界線的時侯,流入磁體和流出磁體的磁路量隨著定子角度旋轉而發生線性的降低或則降低,近而致使該磁體上的線圈內的磁路量發生線性變化,此時線圈內感應電動勢就是一個直流電流。
當某一個磁體正對著每一個吸鐵石的時侯,通過該磁體的磁路量不發生變化,此時該線圈內沒有感應電動勢。請注意,電樞的位置正是對著NS磁體,所以此時進行換流,雖然軸套同時接觸兩片換流環的電極,因為對應的線圈內沒有感應電動勢,因而也不會導致在換流時形成漏電電壓。
中學課本上講解的直流馬達原理其實與實際馬達工作情況不同,但也只能這樣講,這與中學中學生認知水平是相符和的。
春雨和她的男子伴們
假如如今再給高中中學生講解直流馬達工作原理,我也只能根據教科書上這么講。并且有一個幻覺,講著講著自己也就相信了。