下面這些圖片顯示的還是在春節(jié)前拆解的一個(gè)來(lái)自于自動(dòng)按摩枕內(nèi)部的直流電機(jī)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

轉(zhuǎn)眼寒假過(guò)去了，回頭看到這些當(dāng)時(shí)拆解留下的照片，還能體會(huì)到當(dāng)時(shí)正處在假期前半段時(shí)的愉快心情。

拆開(kāi)前后蓋之后的電機(jī)

記得當(dāng)時(shí)是在辦公室外邊水房垃圾桶里，看到的這個(gè)別人丟棄的電動(dòng)按摩枕。本來(lái)是想打開(kāi)一窺其中機(jī)械的奧秘。不過(guò)打開(kāi)外面的塑料皮革和一些填充海綿之后，看到的只是一些稍顯粗糙的塑料傳動(dòng)裝置。

這個(gè)直流電機(jī)就是按摩枕的動(dòng)力來(lái)源。之所以當(dāng)時(shí)想拆開(kāi)它，是因?yàn)橐粋€(gè)月之前寫了一個(gè)推文“

”。這本是一篇介紹小型直流電機(jī)的工作原理的推文。所有參加智能車競(jìng)賽的同學(xué)都會(huì)在自己的車模上碰到這種小型直流電機(jī)。我又不清楚，為什么這篇推文居然是去年下半年所有推文文中閱讀量最高的一篇推文？

電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁鋼定子

現(xiàn)在看起來(lái)除了它的內(nèi)容相對(duì)比較淺顯易懂，同時(shí)使用了網(wǎng)絡(luò)上很多的動(dòng)圖顯示原理，可能更重要的是使用了學(xué)生在朋友圈里曬出的自己的美顏照片作為推文封面。

本以為自己寫完那個(gè)推文之后，自己對(duì)于小型直流電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理有了更加清晰的認(rèn)識(shí)，但是當(dāng)我打開(kāi)這個(gè)功率稍微大一點(diǎn)的直流電機(jī)之后，還是被它內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)震懾住了。

直流電機(jī)內(nèi)部的12個(gè)磁極和24片換流接觸片

直流電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子，居然有12個(gè)磁極。同時(shí)也配有12個(gè)轉(zhuǎn)子線圈。每個(gè)線圈是繞制在相鄰五個(gè)磁極的線圈溝槽內(nèi)。

在轉(zhuǎn)子 一段是換流環(huán)，上面分布有24個(gè)電極。每個(gè)轉(zhuǎn)子線圈兩端焊接在相鄰的換流環(huán)電極上。電極的位置正好處于線圈的平行面上。

直流電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電樞和換流環(huán)

如果自己觀察這些線圈與換流環(huán)之間的焊接關(guān)系，可以看到這些線圈實(shí)際上是串聯(lián)在一起的，形成一個(gè)線圈整體。線圈的漆包線繞過(guò)換流環(huán)，然后被換流環(huán)電極銅柱壓焊在一起。

這些線圈雖然是串聯(lián)在一起，當(dāng)電極的電刷對(duì)稱接觸換流環(huán)時(shí)。分布在電刷兩側(cè)的線圈所通過(guò)的電流方向是相反的。

轉(zhuǎn)子線圈與換流電極結(jié)合

電極外殼上固定了兩片呈現(xiàn)圓弧狀的永磁鐵，提供電極的工作磁場(chǎng)。這些磁場(chǎng)通過(guò)轉(zhuǎn)子磁極從N極流向P極。每個(gè)線圈內(nèi)的磁通量應(yīng)該是它所繞過(guò)的五個(gè)磁極磁通量的累加和。

由于轉(zhuǎn)子的存在，實(shí)際上也改變了電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布。線圈所在空間的磁場(chǎng)包括有定子磁場(chǎng)以及線圈通過(guò)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的磁力矩應(yīng)該是有這兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。力矩的大小與線圈磁通量的變化率成正比。

電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子和外部的定子

當(dāng)每個(gè)磁極位于不同的角度的時(shí)候，流入磁極的磁通量會(huì)有變化。當(dāng)磁極針對(duì)這弧形磁鋼時(shí)，流入，或者流出磁極的磁通量最大，但變化較小。當(dāng)磁極正好處在從一個(gè)磁鋼轉(zhuǎn)向另外一個(gè)磁鋼中間過(guò)渡階段時(shí)，伴隨著磁通量流入流出極性的改變，磁通量就會(huì)發(fā)生很大的變化。

每個(gè)磁極的磁通量以及對(duì)應(yīng)的磁通量變化率

由于每個(gè)線圈是繞制在相鄰的五個(gè)磁極上，所以線圈內(nèi)的磁通量的變化是五個(gè)磁極磁通量變化率的疊加。

下圖顯示了一個(gè)線圈中五個(gè)磁極的磁通量變化率疊加后的曲線。變化的磁通量會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由此將輸入的電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。

在轉(zhuǎn)子上總共有12個(gè)線圈，每個(gè)線圈所產(chǎn)生的力矩如上圖所示。這十二個(gè)線圈所產(chǎn)生的力矩疊加就會(huì)非常平穩(wěn)。

當(dāng)然，上面的分析還是顯得粗略。繪制的磁通量變化曲線也是使用數(shù)學(xué)模型繪制的仿真曲線。具體轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，它所受到的電磁力矩是什么波形，內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的信號(hào)波形是什么？

原本希望能夠通過(guò)示波器測(cè)量加以驗(yàn)證，后來(lái)想到一個(gè)主意，就是在轉(zhuǎn)子上的換流片上，每個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)的電極焊接一個(gè)發(fā)光二極管，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，它內(nèi)部所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)能夠點(diǎn)亮LED，那就是一個(gè)非常直觀的顯示。

原本設(shè)想在換流環(huán)上焊接LED，結(jié)果失敗了

很可惜，在焊接的時(shí)候，焊錫流進(jìn)了換流環(huán)電極兩邊的縫隙，將換流環(huán)相鄰電極短路，從而無(wú)法顯示和測(cè)量每個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)了。

也罷，最后這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能以失敗告終。

愉快的寒假結(jié)束了，現(xiàn)在已經(jīng)上了一個(gè)禮拜的課程了。現(xiàn)在回頭再看看當(dāng)時(shí)的對(duì)電機(jī)分解過(guò)程，并沒(méi)有覺(jué)得實(shí)驗(yàn)失敗的遺憾，而是感到過(guò)去一段時(shí)光的美好。
編輯：hfy