小型直流电机内部结构及工作原理解析

下面这些图片显示的还是在春节前拆解的一个来自于自动按摩枕内部的直流电机的实验过程。

转眼寒假过去了，回头看到这些当时拆解留下的照片，还能体会到当时正处在假期前半段时的愉快心情。

拆开前后盖之后的电机

记得当时是在办公室外边水房垃圾桶里，看到的这个别人丢弃的电动按摩枕。本来是想打开一窥其中机械的奥秘。不过打开外面的塑料皮革和一些填充海绵之后，看到的只是一些稍显粗糙的塑料传动装置。

这个直流电机就是按摩枕的动力来源。之所以当时想拆开它，是因为一个月之前写了一个推文“

”。这本是一篇介绍小型直流电机的工作原理的推文。所有参加智能车竞赛的同学都会在自己的车模上碰到这种小型直流电机。我又不清楚，为什么这篇推文居然是去年下半年所有推文文中阅读量最高的一篇推文？

电机转子和磁钢定子

现在看起来除了它的内容相对比较浅显易懂，同时使用了网络上很多的动图显示原理，可能更重要的是使用了学生在朋友圈里晒出的自己的美颜照片作为推文封面。

本以为自己写完那个推文之后，自己对于小型直流电机内部结构和原理有了更加清晰的认识，但是当我打开这个功率稍微大一点的直流电机之后，还是被它内部的复杂结构震慑住了。

直流电机内部的12个磁极和24片换流接触片

直流电机内部的转子，居然有12个磁极。同时也配有12个转子线圈。每个线圈是绕制在相邻五个磁极的线圈沟槽内。

在转子 一段是换流环，上面分布有24个电极。每个转子线圈两端焊接在相邻的换流环电极上。电极的位置正好处于线圈的平行面上。

直流电机转子上的电枢和换流环

如果自己观察这些线圈与换流环之间的焊接关系，可以看到这些线圈实际上是串联在一起的，形成一个线圈整体。线圈的漆包线绕过换流环，然后被换流环电极铜柱压焊在一起。

这些线圈虽然是串联在一起，当电极的电刷对称接触换流环时。分布在电刷两侧的线圈所通过的电流方向是相反的。

转子线圈与换流电极结合

电极外壳上固定了两片呈现圆弧状的永磁铁，提供电极的工作磁场。这些磁场通过转子磁极从N极流向P极。每个线圈内的磁通量应该是它所绕过的五个磁极磁通量的累加和。

由于转子的存在，实际上也改变了电机内部磁场的分布。线圈所在空间的磁场包括有定子磁场以及线圈通过电流所产生的磁场，转子上所产生的磁力矩应该是有这两个磁场相互作用产生的。力矩的大小与线圈磁通量的变化率成正比。

电机内的转子和外部的定子

当每个磁极位于不同的角度的时候，流入磁极的磁通量会有变化。当磁极针对这弧形磁钢时，流入，或者流出磁极的磁通量最大，但变化较小。当磁极正好处在从一个磁钢转向另外一个磁钢中间过渡阶段时，伴随着磁通量流入流出极性的改变，磁通量就会发生很大的变化。

每个磁极的磁通量以及对应的磁通量变化率

由于每个线圈是绕制在相邻的五个磁极上，所以线圈内的磁通量的变化是五个磁极磁通量变化率的叠加。

下图显示了一个线圈中五个磁极的磁通量变化率叠加后的曲线。变化的磁通量会在线圈内产生感应电动势。由此将输入的电能转换成转子运动的机械能。

在转子上总共有12个线圈，每个线圈所产生的力矩如上图所示。这十二个线圈所产生的力矩叠加就会非常平稳。

当然，上面的分析还是显得粗略。绘制的磁通量变化曲线也是使用数学模型绘制的仿真曲线。具体转子在旋转过程中，它所受到的电磁力矩是什么波形，内部产生的感应电动势的信号波形是什么？

原本希望能够通过示波器测量加以验证，后来想到一个主意，就是在转子上的换流片上，每个电机对应的电极焊接一个发光二极管，在转子转动的时候，它内部所产生的感应电动势能够点亮LED，那就是一个非常直观的显示。

原本设想在换流环上焊接LED，结果失败了

很可惜，在焊接的时候，焊锡流进了换流环电极两边的缝隙，将换流环相邻电极短路，从而无法显示和测量每个线圈的感应电动势了。

也罢，最后这个实验只能以失败告终。

愉快的寒假结束了，现在已经上了一个礼拜的课程了。现在回头再看看当时的对电机分解过程，并没有觉得实验失败的遗憾，而是感到过去一段时光的美好。
编辑：hfy