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电机知识系列之三/直流电机

电机技术及应用2018-10-15 15:32:57


直流式 

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势, 

直流电机实图 

图一 

靠换向器配合电刷的换向作用,使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 

感应电动势的方向按右手定则确定(磁感线指向手心,大拇指指向导体运动方向,其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向)。 

工作原理 

导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩,这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向,企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩(例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩),电枢就能按逆时针方向旋转起来。 

直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机,广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。 

电磁式 

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

电磁式直流电动机的定子磁极(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)方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。因励磁方式不同,定子磁极磁通(由定子磁极的励磁线圈通电后产生)的规律也不同。 

串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联,励磁电流与电枢电流成正比,定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大,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加而迅速下降。其起动转矩可达额定转矩的5倍以上,短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上,转速变化率较大,空载转速甚高(一般不允许其在空载下运行)。可通过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。 

并励直流电动机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倍左右。转速则随电流及转矩的增大而略有下降,短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。转速变化率较小,为5%~15%。可通过消弱磁场的恒功率来调速。 

他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电,其励磁电流也较恒定,起动转矩与电枢电流成正比。转速变化也为5%~15%。可以通过消弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。 

复励直流电动机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)。串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同,起动转矩约为额定转矩的4倍左右,短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。转速变化率为25%~30%(与串联绕组有关)。转速可通过消弱磁场强度来调整。 

换向器的换向片使用银铜、镉铜等合金材料,用高强度塑料模压成。电刷与换向器滑动接触,为转子绕组提供电枢电流。电磁式直流电动机的电刷一般采用金属石墨电刷或电化石墨电刷。转子的铁心采用硅钢片叠压而成,一般为12槽,内嵌12组电枢绕组,各绕组间串联接后,再分别与12片换向片连接。 

直流电机 

直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同,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,原理图中M表示电动机,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 

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;作为并励电动机来说,励磁绕组与电枢共用同一电源,从性能上讲与他励直流电动机相同。如下图所示: 

图三 

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就是电枢电流。如下图所示: 

图四 

复励 

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

图五 
 

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式,直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。 

永磁式 

永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成,定子磁极采用永磁体(永久磁钢),有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。录放机中使用的电多数为圆筒型磁体,而电动工具及汽车用电器中使用的电动机多数采用专块型磁体。 

转子一般采用硅钢片叠压而成,较电磁式直流电动机转子的槽数少。录放机中使用的小功率电动机多数为3槽,较高档的为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),其各接头分别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性能。永磁电动机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。 

录放机中使用的永磁式直流电动机,采用电子稳速电路或离心式稳速装置。 

无刷直流 

无刷直流电动机是采用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接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点,广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。 

无刷直流电动机由永磁体转子、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化,沿着一定次序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,并在确定的位置处产生位置传感信号,经信号转换电路处理后去控制功率开关电路,按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。 

位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机,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、转子旋转时产生的磁场变化。 

采用光电式位置传感器的无刷直流电动机,在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件,转子上装有遮光板,光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。 

采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机,是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等),当永磁体转子位置发生变化时,电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位置而变化)。 

优越性 

直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、

电机实物图 

图六 

从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能,但直流电机的优点也正是它的缺点,因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能,则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°,这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外,使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子,免维护、坚固、应用广,但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多,提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快,可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中,适当控制交流电机在两轴电流分量,达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 

此外已有很多微处理机将控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。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相,得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 

控制结构 

图七 

直流无刷电机是同步电机的一种,也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响: 

n=120.f/p。在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 

直流无刷驱动器包括电源部及控制部、电源部提供三相电源给电机,控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(一般为24v)或以交流电输入(110v/220v),如果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)一般由6个功率晶体管(q1~q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(Inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制,所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(Hall-sensor),作为速度之闭回路控制,同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。 

控制原理 

图八 

要让电机转动起来,控制部就必须根据Hall-sensor感应到的电机转子所在位置,然后依照定子绕线决定开启(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产生顺向(或逆向)旋转磁场,并与转子的磁铁相互作用,如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到Hall-sensor感应出另一组信号的位置时,控制部又再开启下一组功率晶体管,如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(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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