本文主要是關(guān)于直流電機的相關(guān)介紹，并著重對直流電機失步現(xiàn)象進(jìn)行了詳盡的闡述。 直流電機 直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當(dāng)它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。 組成結(jié)構(gòu) 直流電機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。 定子 （1）主磁極 主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。 鐵心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴(kuò)寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上， （2）換向極 換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數(shù)目與主磁極相等。 （3）機座 電機定子的外殼稱為機座。機座的作用有兩個： 一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個電機的支撐和固定作用； 二是機座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。 （4）電刷裝置 電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。 轉(zhuǎn)子 （1）電樞鐵心 電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。 一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機運行時電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。 （2）電樞繞組 電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進(jìn)行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進(jìn)行綁扎。 （3）換向器 在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流， 使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動勢轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。 （4）轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。 主要分類 直流發(fā)電機 直流發(fā)電機是把機械能轉(zhuǎn)化為直流電能的機器。它主要作為直流電動機、電解、 電鍍、電冶煉、充電及交流發(fā)電機的勵磁電源等所需的直流電機。雖然在需要直流電的地方，也用電力整流元件，把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，但從某些工作性能方面來看，交流整流電源還不能完全取代直流發(fā)電機。 直流電動機 將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的轉(zhuǎn)動裝置。電動機定子提供磁場，直流電源向轉(zhuǎn)子的繞組提供電流，換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變。根據(jù)是否是否配置有常用的電刷-換向器可以將直流電動機分為兩類，包括有刷直流電動機和無刷直流電動機。 無刷直流電機是近幾年來隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和高開關(guān)頻率、 低功耗新型電力電子器件的應(yīng)用，以及控制方法的優(yōu)化和低成本、高磁能級的永磁材料的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一種新型直流電動機。 無刷直流電機既保持了傳統(tǒng)直流電機良好的調(diào)速性能又具有無滑動接觸和換向火花、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點，因而在航空航天、數(shù)控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設(shè)備和家用電器等方面都獲得了廣泛應(yīng)用。 按照供電方式的不同，無刷直流電機又可以分為兩類：方波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形都是矩形波，又稱為矩形波永磁同步電動機；正弦波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形均為正弦波。 直流電機會永遠(yuǎn)不失步嗎 說起步進(jìn)電機，對于電氣控制行業(yè)的工程師來說應(yīng)該再熟悉不過了！它的誤差不會長期積累，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，控制比伺服簡單等優(yōu)點，但步進(jìn)電機精確控制的前提是電機不發(fā)生失步，如何才能避免步進(jìn)電機失步？ 步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機。在未發(fā)生失步情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)并不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)電機接收到一個脈沖信號時，電機就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)一個固定的角度（步進(jìn)角或步距角），通過控制脈沖數(shù)和脈沖頻率來控制電機角位移量及電機轉(zhuǎn)速從而達(dá)到精確的開環(huán)控制。另外，步進(jìn)電機每走一步所轉(zhuǎn)過的角度與理論步距之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也總有一定的誤差，但是，步進(jìn)電機每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不失步的情況下，其步距誤差不會長期累積。 上面提到的都是在不失步的情況，如何才能避免失步呢？首先我們需要知道造成電機失步的因素： 1、轉(zhuǎn)子加速度慢于步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)磁場; 2、轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度; 3、電機負(fù)載慣性較大; 4、步進(jìn)電機產(chǎn)生共振。 轉(zhuǎn)子加速度慢于步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)磁場即轉(zhuǎn)子速度低于換相速度時，電機會產(chǎn)生失步，這是因為輸入電機的電能不足，產(chǎn)生的力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟上定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步。轉(zhuǎn)子平均速度高于定子磁場平均旋轉(zhuǎn)速度，這是定子通電勵磁的時間較長，大于步進(jìn)所需的時間，轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得過多的能量，導(dǎo)致電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩過大從而引起電機越步。 以上導(dǎo)致步進(jìn)電機失步的原因?qū)嵸|(zhì)是步進(jìn)電機驅(qū)動器選擇不當(dāng)而導(dǎo)致，只有選擇正確合適的步進(jìn)驅(qū)動器才能使步進(jìn)電機發(fā)揮其控制精確的優(yōu)勢。選擇合適的驅(qū)動器需要根據(jù)電機的電流，配用大于或等于此電流的驅(qū)動器。如果需要低振動或高精度時，可配用細(xì)分型驅(qū)動器。對于大轉(zhuǎn)矩電機，盡可能用高電壓型驅(qū)動器，以獲得良好的高速性能。同時對于驅(qū)動電源，很多人直接使用開關(guān)電源作為驅(qū)動電源，但是，一般不要使用開關(guān)電源，特別是大力矩電機，除非選用比需要的功率大一倍以上的開關(guān)電源。因為，電機工作時是大電感型負(fù)載，會對電源端形成瞬間的高壓。而開關(guān)電源的過載性能不好，會保護(hù)關(guān)斷，且其精密的穩(wěn)壓性能又不需要，有時可能造成開關(guān)電源和驅(qū)動器的損壞。對于步進(jìn)電機的驅(qū)動電源，可以用常規(guī)的環(huán)形或R 型變壓器變壓的直流電源。 步進(jìn)電機產(chǎn)生共振是因為電機接收的脈沖頻率等于步進(jìn)電機的固有頻率，該頻率與驅(qū)動器的細(xì)分有關(guān)系。我們一般使用步進(jìn)電機時，驅(qū)動器的細(xì)分能力很重要，共振范圍越小越好。對于電機負(fù)載慣性較大是由于電機超載而引起，因此在使用時只需注意不要讓電機過載即可避免。 步進(jìn)電機和驅(qū)動器的選取 步進(jìn)電機和驅(qū)動器的選擇方法比較多，但選擇步進(jìn)電機應(yīng)遵循先選電機后選步進(jìn)電機驅(qū)動器原則，先明確負(fù)載特性，再通過比較不同型號步進(jìn)電機的靜力矩和矩頻曲線，找到與負(fù)載特性最匹配的步進(jìn)電機。東么川工程師給您推薦以下幾點步進(jìn)電機選擇方法： 1、 步過電機轉(zhuǎn)速的選擇對于電機的轉(zhuǎn)速也要特別考慮。因為，電機的輸出轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速成反比。就是說，步進(jìn)電機在低速（每分鐘幾百轉(zhuǎn)或更低轉(zhuǎn)速，其輸出轉(zhuǎn)矩較大），在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩（1000轉(zhuǎn)/分--9000轉(zhuǎn)）就很小了。當(dāng)然，有些工況環(huán)境需要高速電機，就要對步進(jìn)電動機的線圈電阻、電感等指標(biāo)進(jìn)行衡量。選擇電感稍小一些的電機，作為高速電機，能夠獲得較大輸出轉(zhuǎn)矩。反之，要求低速大力矩的情況下，就要選擇電感在十幾或幾十mH，電阻也要大一些為好。 2、 步進(jìn)電機轉(zhuǎn)矩的選擇步進(jìn)電機的保持轉(zhuǎn)矩，近似于傳統(tǒng)電機所稱的“功率”。當(dāng)然，有著本質(zhì)的區(qū)別。步進(jìn)電動機的物理結(jié)構(gòu)，完全不同于交流、直流電機，電機的輸出功率是可變的。通常根據(jù)需要的轉(zhuǎn)矩大?。此獛游矬w的扭力大?。?，來選擇哪種型號的電機。大致說來，扭力在0.8N.m以下，選擇20、28、35、42（電機的機身直徑或方度，單位：mm）;扭力在1N.m左右的，選擇57電機較為合適。扭力在幾個N.m或更大的情況下，就要選擇86、110、130等規(guī)格的步進(jìn)電機。 3、 步進(jìn)電機的相數(shù)選擇步進(jìn)電機的相數(shù)選擇，這項內(nèi)容，很多客戶幾乎沒有什么重視，大多是隨便購買。其實，不同相數(shù)的電機，工作效果是不同的。相數(shù)越多，步距角就能夠做的比較小，工作時的振動就相對小一些。大多數(shù)場合，使用兩相電機比較多。在高速大力矩的工作環(huán)境，選擇三相步進(jìn)電機是比較實用的。 4、 步進(jìn)電機空載起動頻率的選擇步進(jìn)電機空載起動頻率，通常稱為“空起頻率”。這是選購電機比較重要的一項指標(biāo)。如果要求在瞬間頻繁啟動、停止，并且，轉(zhuǎn)速在1000轉(zhuǎn)/分鐘左右（或更高），通常需要“加速啟動”。如果需要直接啟動達(dá)到高速運轉(zhuǎn)，最好選擇反應(yīng)式或永磁電機。這些電機的“空起頻率”都比較高。 5、 針對步進(jìn)電機使用環(huán)境來選擇特種步進(jìn)電機能夠防水、防油，用于某些特殊場合。例如水下機器人，就需要放水電機。對于特種用途的電機，就要針對性選擇了。 對步進(jìn)電機非常了解的人都知道，這種電機的力矩是會隨著轉(zhuǎn)速的升高而下降的，同時也都清楚這種電機在低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但是在運轉(zhuǎn)速度高出一定的數(shù)值之后，就有可能出現(xiàn)無法啟動的現(xiàn)象。 這是因為步進(jìn)電機有空載啟動頻率這個重要的技術(shù)參數(shù)，指的是電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于這個參數(shù)數(shù)值，電機就不能正常啟動，容易發(fā)生失步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。尤其是在電機本身有負(fù)載的情況下，啟動頻率會更低，否則以較高的速度啟動，電機無法正常運行使用。 如果使用當(dāng)中必須要使電機達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，那么在脈沖頻率方面就應(yīng)該有一個加速過程，不能一開始啟動的時候直接得到很高的脈沖頻率。具體來說就是大家在啟動電機的時候采取用較低的頻率，等到電機正常啟動運轉(zhuǎn)之后，再按一定加速度升到所希望的高頻，以電機由低速升到高速的過程，來滿足電機高速轉(zhuǎn)動運行需求。 所以，大家在使用步進(jìn)電機的時候，一定要注意對其做好啟動運行操作，避免出現(xiàn)高速無法啟動電機這類現(xiàn)象。 步進(jìn)電機失步產(chǎn)生的原因以及解決的方法 （1）、轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電動機的旋轉(zhuǎn)磁場（轉(zhuǎn)子的力 n 速度慢于步進(jìn)電動機的旋轉(zhuǎn)磁場，即低于換相速度時，步進(jìn)電動機會產(chǎn)生失步）。 原 因：輸入電動機的電能不足，在步進(jìn)電動機中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步。由于步進(jìn)電動機的動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩隨著連續(xù)運行頻率的上升而降低，因而，凡是比該頻率高的工作頻率都將產(chǎn)生丟步。這種失步說明步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)矩不足，拖動能力不夠。 解決方法： ①使步進(jìn)電動機本身產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大。 a.可在額定電流范圍內(nèi)適當(dāng)加大驅(qū)動電流； b.在高頻范圍轉(zhuǎn)矩不足時，可適當(dāng)提高驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓； c.改用轉(zhuǎn)矩大的步進(jìn)電動機等。 ②使步進(jìn)電動機需要克服的轉(zhuǎn)矩減小。 a.可適當(dāng)降低電動機運行頻率，以便提高電動機的輸出轉(zhuǎn)矩； b.設(shè)定較長的加速時間，以便轉(zhuǎn)子獲得足夠的能量。 （2）、轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度，這時定子通電勵磁的時間較長，大于轉(zhuǎn)子步進(jìn)一步所需的時間，則轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得了過多的能量，使得步進(jìn)電動機產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩增大，從而使電動機越步。當(dāng)用步進(jìn)電動機驅(qū)動那些使負(fù)載上、下動作的機構(gòu)時，更易產(chǎn)生越步現(xiàn)象） 原 因：負(fù)載向下運動時，電動機所需的轉(zhuǎn)矩減小。 解決方法：減小步進(jìn)電動機的驅(qū)動電流，以便降低步進(jìn)電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。 （3）、步進(jìn)電動機及所帶負(fù)載存在慣性 原 因：步進(jìn)電動機自身及所帶負(fù)載存在慣性，使得電動機在工作過程中不能立即起動和停止，而是在起動時出現(xiàn)丟步，在停止時發(fā)生越步。 解決方法：通過一個加速和減速過程，即以較低的速度起動，而后逐漸加速到某一速度運行，再逐漸減速直至停止。進(jìn)行合理、平滑的加減速控制是保證步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)可靠、高效、精確運行的關(guān)鍵 （4）、步進(jìn)電動機產(chǎn)生共振 原 因：共振（步進(jìn)電動機處于連續(xù)運行狀態(tài)時，如果控制脈沖的頻率等于步進(jìn)電動機的固有頻率，將產(chǎn)生共振。在一個控制脈沖周期內(nèi)，振動得不到充分衰減，下一個脈沖就來到，因而在共振頻率附近動態(tài)誤差最大并會導(dǎo)致步進(jìn)電動機失步）。 解決方法：①適當(dāng)減小步進(jìn)電動機的驅(qū)動電流；②采用細(xì)分驅(qū)動方法；③采用阻尼方法，包括機械阻尼法。 結(jié)語 關(guān)于直流電機的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。 相關(guān)閱讀推薦：詳解直流電動機的工作原理 相關(guān)閱讀推薦：四軸飛行器無刷直流電機驅(qū)動控制設(shè)計的實現(xiàn)