三線圈小型直流永磁電機工作原理簡介

小型玩具永磁直流電機工作原理簡介

一、前言:

在初高中物理講電動機原理的課程里都用單個線圈，兩個換向器的模型講解原理，如下圖所示。然而這種電機不具有實用性，在生活中也見不到。而工業用電機結構復雜一般人也沒有機會拆裝，這些對于想了解電機構造和原理的愛好者不方便。

人也沒有機會拆裝，這些對于想了解電機構造和原理的愛好者不方便。

但是，我們在生活中很容易見到三線圈的小型永磁直流電機，它廣泛應用于兒童玩具車，玩具風扇等地方。很多有好奇心的小孩子都喜歡拆開這種電機，研究他的內部構造，確實也很簡單，如圖1所示。

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二、轉子電路:

步進電機:這種電機最核心的零件就是它的轉子，如圖2所示。包括換向器，線圈，鐵芯。

轉子等效電路如下圖3-a所示，是三個首尾相連的線圈，紅圈是三個焊錫球，連接三個換相片。最終可以簡化為圖3-b所示，即三角形△接法的線圈。

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三、轉子等效電流矢量

如圖4-a，轉子在定子中相當于一個△線圈放在磁場下面。任意時刻只有兩個換相片與電刷接觸，當線圈處于如圖位置時，A點與電源正極接觸，B點與電源負極接觸，C點只起到連接上面兩個線圈的作用。如圖4-b根據歐姆定律，上面兩個線圈的電流是下面線圈電流的一半。再如圖4-c，根據空間矢量合成法則，由于上面兩個線圈電流大小相等空間夾角是120度，則合成電流方向與下面線圈電流方向一樣，三個線圈的電流矢量和折算到一個線圈上的電流是1.5i，方向如圖4-d所示。

四、電流換向:

閉環電機:因為定子永磁體和電刷的空間位置固定，根據三個換相片的空間位置可知，轉子每轉過120度，電流就要換向一次。如果轉子每轉120度，把A,B,C名稱循環互選一次，那么轉子里面的電流狀態和120度前是完全一樣的。則對于和定子相對靜止的觀察者而言，他發現轉子等效電流矢量始終在圖5-c的120度范圍內逆時針旋轉，到灰色位置后立即換向又重新從藍色位置開始旋轉。

五、合成力矩:

根據電機扭矩公式，這種電機的軸上實際的輸出扭矩曲線如圖6-b所示，為三個相位互差120度正弦曲線的包絡線。在P點位置，電流矢量和磁場垂直的地方扭矩最大，在換向的地方(Q1,Q2)扭矩最小，是P點位置的一半。

六、小結:

1. 該小型直流有刷電機的轉子繞組等效為三角形△接法，不同于直流無刷電機BLDC的星型Y接法。

2. 該電機轉子等效電流矢量是單個線圈電流的1.5倍。

3. 該電機每旋轉一圈電流換向三次，電流換向點發生在轉子位置角=60度的地方，也就是最大扭矩的1/2處，從而保證扭矩連續，且從任何靜止狀態都能啟動。

4. 該電機的扭矩波動范圍為[0.5,1]Tmax，波動較大，只適合對扭矩控制要求不嚴格的場合。