電機(jī)知識系列之直流電機(jī)

直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動勢。

直流電機(jī)實(shí)圖

圖一

靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑怼?/p>

感應(yīng)電動勢的方向按右手定則確定(磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的方向)。

工作原理

導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向，企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩(例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩)，電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。

直流電動機(jī)是依靠直流工作電壓運(yùn)行的電動機(jī)，廣泛應(yīng)用于收錄機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、電動剃須刀、電吹風(fēng)、電子表、玩具等。

電磁式

電磁式直流電動機(jī)由定子磁極、轉(zhuǎn)子(電樞)、換向器(俗稱整流子)、電刷、機(jī)殼、軸承等構(gòu)成，

電磁式直流電動機(jī)的定子磁極(主磁極)由鐵心和勵磁繞組構(gòu)成。根據(jù)其勵磁(舊標(biāo)準(zhǔn)稱為激磁)方式的不同又可分為串勵直流電動機(jī)、并勵直流電動機(jī)、他勵直流電動機(jī)和復(fù)勵直流電動機(jī)。因勵磁方式不同，定子磁極磁通(由定子磁極的勵磁線圈通電后產(chǎn)生)的規(guī)律也不同。

串勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵磁電流與電樞電流成正比，定子的磁通量隨著勵磁電流的增大而增大，轉(zhuǎn)矩近似與電樞電流的平方成正比，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩或電流的增加而迅速下降。其起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，短時(shí)間過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的4倍以上，轉(zhuǎn)速變化率較大，空載轉(zhuǎn)速甚高(一般不允許其在空載下運(yùn)行)。可通過用外用電阻器與串勵繞組串聯(lián)(或并聯(lián))、或?qū)⒋畡罾@組并聯(lián)換接來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

并勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組相并聯(lián)，其勵磁電流較恒定，起動轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，起動電流約為額定電流的2.5倍左右。轉(zhuǎn)速則隨電流及轉(zhuǎn)矩的增大而略有下降，短時(shí)過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍。轉(zhuǎn)速變化率較小，為5%~15%。可通過消弱磁場的恒功率來調(diào)速。

他勵直流電動機(jī)的勵磁繞組接到獨(dú)立的勵磁電源供電，其勵磁電流也較恒定，起動轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。轉(zhuǎn)速變化也為5%~15%?？梢酝ㄟ^消弱磁場恒功率來提高轉(zhuǎn)速或通過降低轉(zhuǎn)子繞組的電壓來使轉(zhuǎn)速降低。

復(fù)勵直流電動機(jī)的定子磁極上除有并勵繞組外，還裝有與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)的串勵繞組(其匝數(shù)較少)。串聯(lián)繞組產(chǎn)生磁通的方向與主繞組的磁通方向相同，起動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的4倍左右，短時(shí)間過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3.5倍左右。轉(zhuǎn)速變化率為25%~30%(與串聯(lián)繞組有關(guān))。轉(zhuǎn)速可通過消弱磁場強(qiáng)度來調(diào)整。

換向器的換向片使用銀銅、鎘銅等合金材料，用高強(qiáng)度塑料模壓成。電刷與換向器滑動接觸，為轉(zhuǎn)子繞組提供電樞電流。電磁式直流電動機(jī)的電刷一般采用金屬石墨電刷或電化石墨電刷。轉(zhuǎn)子的鐵心采用硅鋼片疊壓而成，一般為12槽，內(nèi)嵌12組電樞繞組，各繞組間串聯(lián)接后，再分別與12片換向片連接。

直流電機(jī)

直流電機(jī)的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機(jī)可分為下列幾種類型。

他勵

勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵直流電機(jī)，原理圖中M表示電動機(jī)，若為發(fā)電機(jī)，則用G表示。永磁直流電機(jī)也可看作他勵直流電機(jī)。如下圖所示：

圖二

并勵

并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)。作為并勵發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電;作為并勵電動機(jī)來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機(jī)相同。如下圖所示：

圖三

串勵

串勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源。這種直流電機(jī)的勵磁電流就是電樞電流。如下圖所示：

圖四

復(fù)勵

復(fù)勵直流電機(jī)有并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。如下圖所示：

圖五

不同勵磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動機(jī)的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復(fù)勵式，直流發(fā)電機(jī)的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復(fù)勵式。

永磁式

永磁式直流電動機(jī)也由定子磁極、轉(zhuǎn)子、電刷、外殼等組成，定子磁極采用永磁體(永久磁鋼)，有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結(jié)構(gòu)形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。錄放機(jī)中使用的電多數(shù)為圓筒型磁體，而電動工具及汽車用電器中使用的電動機(jī)多數(shù)采用專塊型磁體。

轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成，較電磁式直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子的槽數(shù)少。錄放機(jī)中使用的小功率電動機(jī)多數(shù)為3槽，較高檔的為5槽或7槽。漆包線繞在轉(zhuǎn)子鐵心的兩槽之間(三槽即有三個繞組)，其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。電刷是連接電源與轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)電部件，具備導(dǎo)電與耐磨兩種性能。永磁電動機(jī)的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。

錄放機(jī)中使用的永磁式直流電動機(jī)，采用電子穩(wěn)速電路或離心式穩(wěn)速裝置。

無刷直流

無刷直流電動機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動化辦公設(shè)備中。

無刷直流電動機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流(即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。

位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返?裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場變化。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等)，當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。

優(yōu)越性

直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、

電機(jī)實(shí)物圖

圖六

從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機(jī)沒有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到。現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，達(dá)到類似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

此外已有很多微處理機(jī)將控制電機(jī)必需的功能做在芯片中，而且體積越來越小;像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、脈沖寬度調(diào)制…等。直流無刷電機(jī)即是以電子方式控制交流電機(jī)換相，得到類似直流電機(jī)特性又沒有直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。

控制結(jié)構(gòu)

圖七

直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(p)影響：

n=120.f/p。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。

直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部、電源部提供三相電源給電機(jī)，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。

電源部可以直接以直流電輸入(一般為24v)或以交流電輸入(110v/220v)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(Converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由換流器(Inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機(jī)。換流器(Inverter)一般由6個功率晶體管(q1～q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂撇縿t提供pwm(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(Inverter)換相的時(shí)機(jī)。直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時(shí)速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(Hall-sensor)，作為速度之閉回路控制，同時(shí)也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。

控制原理

圖八

要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，控制部就必須根據(jù)Hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(Inverter)中功率晶體管的順序，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到Hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時(shí)，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管);要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。