电机知识系列之三/直流电机

原创作者:晓月水池

电机常识系列之三/直流电机

直流式

直流发电机的事情道理便是把电枢线圈中感应的交变电动势,

直流电机实图

图一

电机常识系列之三/直流电机

靠换向器共同电刷的换向感化,使之从电刷端引出时变为直流电动势的道理。

感应电动势的偏向按右手定则确定(磁感线指向手心,大年夜拇指指领导体运动偏向,其他四指的指向便是导体中感应电动势的偏向)。

事情道理

导体受力的偏向用左手定则确定。这一对电磁力形成了感化于电枢一个力矩,这个力矩在扭转电机里称为电磁转矩,转矩的偏向是逆时针偏向,妄图使电枢逆时针偏向迁移转变。假云云电磁转矩能够降服电枢上的阻转矩(例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩),电枢就能按逆时针偏向扭转起来。

直流电念头是寄托直流事情电压运行的电念头,广泛利用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。

电磁式

电磁式直流电念头由定子磁极、转子(电枢)、换向器(俗称整流子)、电刷、机壳、轴承等构成,

电磁式直流电念头的定子磁极(主磁极)由铁心和励磁绕组构成。根据其励磁(旧标准称为激磁)要领的不合又可分为串励直流电念头、并励直流电念头、他励直流电念头和复励直流电念头。因励磁要领不合,定子磁极磁通(由定子磁极的励磁线圈通电后孕育发生)的规律也不合。

串励直流电念头的励磁绕组与转子绕组之间经由过程电刷和换向器相串联,励磁电流与电枢电流成正比,定子的磁通量跟着励磁电流的增大年夜而增大年夜,转矩近似与电枢电流的平方成正比,转速随转矩或电流的增添而迅速下降。其起动转矩可达额定转矩的5倍以上,短光阴过载转矩可达额定转矩的4倍以上,转速变更率较大年夜,空载转速甚高(一样平常不容许其在空载下运行)。可经由过程用外用电阻器与串励绕组串联(或并联)、或将串励绕组并联换接来实现调速。

并励直流电念头的励磁绕组与转子绕组相并联,其励磁电流较恒定,起动转矩与电枢电流成正比,起动电流约为额定电流的2.5倍阁下。转速则随电流及转矩的增大年夜而略有下降,短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。转速变更率较小,为5%~15%。可经由过程消弱磁场的恒功率来调速。

他励直流电念头的励磁绕组接到自力的励磁电源供电,其励磁电流也较恒定,起动转矩与电枢电流成正比。转速变更也为5%~15%。可以经由过程消弱磁场恒功率来前进转速或经由过程低落转子绕组的电压来使转速低落。

复励直流电念头的定子磁极上除有并励绕组外,还装有与转子绕组串联的串励绕组(其匝数较少)。串联绕组孕育发生磁通的偏向与主绕组的磁通偏向相同,起动转矩约为额定转矩的4倍阁下,短光阴过载转矩为额定转矩的3.5倍阁下。转速变更率为25%~30%(与串联绕组有关)。转速可经由过程消弱磁场强度来调剂。

换向器的换向片应用银铜、镉铜等合金材料,用高强度塑料模压成。电刷与换向器滑动打仗,为转子绕组供给电枢电流。电磁式直流电念头的电刷一样平常采纳金属石墨电刷或电化石墨电刷。转子的铁心采纳硅钢片叠压而成,一样平常为12槽,内嵌12组电枢绕组,各绕组间串联接后,再分手与12片换向片连接。

直流电机

直流电机的励磁要领是指对励磁绕组若何供电、孕育发生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁要领的不合,直流电机可分为下列几种类型。

他励

励磁绕组与电枢绕组无联接关系,而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机,道理图中M表示电念头,若为发电机,则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。如下图所示:

图二

电机常识系列之三/直流电机

并励

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。作为并励发电机来说,是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电;作为并励电念头来说,励磁绕组与电枢共用同一电源,从机能上讲与他励直流电念头相同。如下图所示:

图三

电机常识系列之三/直流电机

串励

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后,再接于直流电源。这种直流电机的励磁电流便是电枢电流。如下图所示:

图四

电机常识系列之三/直流电机

复励

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组孕育发生的磁通势与并励绕组孕育发生的磁通势偏向相同称为积复励。若两个磁通势偏向相反,则称为差复励。如下图所示:

图五

电机常识系列之三/直流电机

不合励磁要领的直流电机有着不合的特点。一样平常环境直流电念头的主要励磁要领是并励式、串励式和复励式,直流发电机的主要励磁要领是他励式、并励式和和复励式。

永磁式

永磁式直流电念头也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成,定子磁极采纳永磁体(永远磁钢),有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其布局形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。录放机中应用的电多半为圆筒型磁体,而电动对象及汽车用电器中应用的电念头多半采纳专块型磁体。

转子一样平常采纳硅钢片叠压而成,较电磁式直流电念头转子的槽数少。录放机中应用的小功率电念头多半为3槽,较高级的为5槽或7槽。漆包线绕在转子铁心的两槽之间(三槽即有三个绕组),其各接头分手焊在换向器的金属片上。电刷是连接电源与转子绕组的导电部件,具备导电与耐磨两种机能。永磁电念头的电刷应用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。

录放机中应用的永磁式直流电念头,采纳电子稳速电路或离心式稳速装配。

无刷直流

无刷直流电念头是采纳半导体开关器件来实现电子换向的,即用电子开关器件代替传统的打仗式换向器和电刷。它具有靠得住性高、无换向火花、机器噪声低等优点,广泛利用于高级录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

无刷直流电念头由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变更,沿着必然序次对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置,并在确定的位置处孕育发生位置传感旌旗灯号,经旌旗灯号转换电路处置惩罚后去节制功率开关电路,按必然的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的事情电压由位置传感器输出节制的电子开关电路供给。

位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。采纳磁敏式位置传感器的无刷直流电念头,其磁敏传感器件(例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等)装在定子组件上,用来检测永磁体、转子扭转时孕育发生的磁场变更。

采纳光电式位置传感器的无刷直流电念头,在定子组件上按必然位置设置设置设备摆设摆设了光电传感器件,转子上装有遮光板,光源为发光二极管或小灯泡。转子扭转时,因为遮光板的感化,定子上的光敏元器件将会按必然频率间歇间生脉冲旌旗灯号。

采纳电磁式位置传感器的无刷直流电念头,是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、靠近开关、LC谐振电路等),当永磁体转子位置发生变更时,电磁效应将使电磁传感器孕育发生高频调制旌旗灯号(其幅值随转子位置而变更)。

良好性

直流电机具有相应快速、较大年夜的起动转矩、

电机什物图

图六

电机常识系列之三/直流电机

从零转速至额定转速具备可供给额定转矩的机能,但直流电机的优点也恰是它的毛病,由于直流电机要孕育发生额定负载下恒定转矩的机能,则电枢磁场与转子磁场须恒保持90°,这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机迁移转变时会孕育发生火花、碳粉是以除了会造成组件毁坏之外,应用处合也受到限定。交流电机没有碳刷及整流子,免掩护、稳固、利用广,但特点上若要达到相称于直流电机的机能须用繁杂节制技巧才能达到。现今半导体成长迅速功率组件切换频率加快许多,提升驱动电机的机能。微处置惩罚机速率亦越来越快,可实现将交流电机节制置于一扭转的两轴直交坐标系统中,适当节制交流电机在两轴电流分量,达到类似直流电机节制并有与直流电机相称的机能。

此外已有很多微处置惩罚机将节制电机必需的功能做在芯片中,而且体积越来越小;像模拟/数字转换器(Analog-to-digitalconverter,ADC)、脉冲宽度调制(Pulsewidemodulator,PWM)…等。直流无刷电机等于以电子要领节制交流电机换相,获得类似直流电机特点又没有直流电机机构上缺掉的一种利用。

节制布局

图七

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直流无刷电机是同步电机的一种,也便是说电机转子的转速受电机定子扭转磁场的速率及转子极数(p)影响:

n=120.f/p。在转子极数固定环境下,改变定子扭转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机等于将同步电机加上电子式节制(驱动器),控拟订子扭转磁场的频率并将电机转子的转速回授至节制中间反复校对,以期达到靠近直流电机特点的要领。也便是说直流无刷电性能够在额定负载范围内当负载变更时仍可以节制电机转子保持必然的转速。

直流无刷驱动器包括电源部及节制部、电源部供给三相电源给电机,节制部则依需求转换输入电源频率。

电源部可以直接以直流电输入(一样平常为24v)或以交流电输入(110v/220v),假如输入是交流电就得先经转换器(Converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(Inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(Inverter)一样平常由6个功率晶体管(q1~q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为节制流经电机线圈的开关。节制部则供给pwm(脉冲宽度调制)抉择功率晶体管开关频度及换流器(Inverter)换相的机会。直流无刷电机一样平常盼望应用在当负载更改时速率可以稳定于设定值而不会更改太大年夜的速率节制,以是电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(Hall-sensor),作为速率之闭回路节制,同时也做为相序节制的依据。但这只是用来做为速率节制并不能拿来做为定位节制。

节制道理

图八

电机常识系列之三/直流电机

要让电机迁移转变起来,节制部就必须根据Hall-sensor感应到的电机转子所在位置,然后依照定子绕线抉择开启(或关闭)换流器(Inverter)中功率晶体管的顺序,使电流依序流经电机线圈孕育发生顺向(或逆向)扭转磁场,并与转子的磁铁互相感化,如斯就能使电机顺时/逆时迁移转变。当电机转子迁移转变到Hall-sensor感应出另一组旌旗灯号的位置时,节制部又再开启下一组功率晶体管,如斯轮回电机就可以依同一偏向继承迁移转变直到节制部抉摘要电机转子竣事则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。

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