電機知識系列之直流電機

直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線(xiàn)圈中感應的交變電動(dòng)勢。

直流電機實(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?dòng)勢的原理。

感應電動(dòng)勢的方向按右手定則確定(磁感線(xiàn)指向手心，大拇指指向導體運動(dòng)方向，其他四指的指向就是導體中感應電動(dòng)勢的方向)。

工作原理

導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(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉電機里稱(chēng)為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時(shí)針?lè )较?，企圖使電樞逆時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩(例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩)，電樞就能按逆時(shí)針?lè )较蛐D起來(lái)。

直流電動(dòng)機是依靠直流工作電壓運行的電動(dòng)機，廣泛應用于收錄機、錄像機、影碟機、電動(dòng)剃須刀、電吹風(fēng)、電子表、玩具等。

電磁式

電磁式直流電動(dòng)機由定子磁極、轉子(電樞)、換向器(俗稱(chēng)整流子)、電刷、機殼、軸承等構成，

電磁式直流電動(dòng)機的定子磁極(主磁極)由鐵心和勵磁繞組構成。根據其勵磁(舊標準稱(chēng)為激磁)方式的不同又可分為串勵直流電動(dòng)機、并勵直流電動(dòng)機、他勵直流電動(dòng)機和復勵直流電動(dòng)機。因勵磁方式不同，定子磁極磁通(由定子磁極的勵磁線(xiàn)圈通電后產(chǎn)生)的規律也不同。

串勵直流電動(dòng)機的勵磁繞組與轉子繞組之間通過(guò)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(zhù)勵磁電流的增大而增大，轉矩近似與電樞電流的平方成正比，轉速隨轉矩或電流的增加而迅速下降。其起動(dòng)轉矩可達額定轉矩的5倍以上，短時(shí)間過(guò)載轉矩可達額定轉矩的4倍以上，轉速變化率較大，空載轉速甚高(一般不允許其在空載下運行)?？赏ㄟ^(guò)用外用電阻器與串勵繞組串聯(lián)(或并聯(lián))、或將串勵繞組并聯(lián)換接來(lái)實(shí)現調速。

并勵直流電動(dòng)機的勵磁繞組與轉子繞組相并聯(lián)，其勵磁電流較恒定，起動(dòng)轉矩與電樞電流成正比，起動(dòng)電流約為額定電流的2.5倍左右。轉速則隨電流及轉矩的增大而略有下降，短時(shí)過(guò)載轉矩為額定轉矩的1.5倍。轉速變化率較小，為5%~15%?？赏ㄟ^(guò)消弱磁場(chǎng)的恒功率來(lái)調速。

他勵直流電動(dòng)機的勵磁繞組接到獨立的勵磁電源供電，其勵磁電流也較恒定，起動(dòng)轉矩與電樞電流成正比。轉速變化也為5%~15%?？梢酝ㄟ^(guò)消弱磁場(chǎng)恒功率來(lái)提高轉速或通過(guò)降低轉子繞組的電壓來(lái)使轉速降低。

復勵直流電動(dòng)機的定子磁極上除有并勵繞組外，還裝有與轉子繞組串聯(lián)的串勵繞組(其匝數較少)。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(dòng)轉矩約為額定轉矩的4倍左右，短時(shí)間過(guò)載轉矩為額定轉矩的3.5倍左右。轉速變化率為25%~30%(與串聯(lián)繞組有關(guān))。轉速可通過(guò)消弱磁場(chǎng)強度來(lái)調整。

換向器的換向片使用銀銅、鎘銅等合金材料，用高強度塑料模壓成。電刷與換向器滑動(dòng)接觸，為轉子繞組提供電樞電流。電磁式直流電動(dòng)機的電刷一般采用金屬石墨電刷或電化石墨電刷。轉子的鐵心采用硅鋼片疊壓而成，一般為12槽，內嵌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

直流電機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(chǎng)的問(wèn)題。根據勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類(lèi)型。

他勵

勵磁繞組與電樞繞組無(wú)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稱(chēng)為他勵直流電機，原理圖中M表示電動(dòng)機，若為發(fā)電機，則用G表示。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。如下圖所示：

圖二

并勵

并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)。作為并勵發(fā)電機來(lái)說(shuō)，是電機本身發(fā)出來(lái)的端電壓為勵磁繞組供電;作為并勵電動(dòng)機來(lái)說(shuō)，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(dòng)機相同。如下圖所示：

圖三

串勵

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

圖四

復勵

復勵直流電機有并勵和串勵兩個(gè)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(chēng)為積復勵。若兩個(gè)磁通勢方向相反，則稱(chēng)為差復勵。如下圖所示：

圖五

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

永磁式

永磁式直流電動(dòng)機也由定子磁極、轉子、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。按其結構形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。錄放機中使用的電多數為圓筒型磁體，而電動(dòng)工具及汽車(chē)用電器中使用的電動(dòng)機多數采用專(zhuān)塊型磁體。

轉子一般采用硅鋼片疊壓而成，較電磁式直流電動(dòng)機轉子的槽數少。錄放機中使用的小功率電動(dòng)機多數為3槽，較高檔的為5槽或7槽。漆包線(xiàn)繞在轉子鐵心的兩槽之間(三槽即有三個(gè)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子繞組的導電部件，具備導電與耐磨兩種性能。永磁電動(dòng)機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。

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

無(wú)刷直流

無(wú)刷直流電動(dòng)機是采用半導體開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現電子換向的，即用電子開(kāi)關(guān)器件代替傳統的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無(wú)換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動(dòng)化辦公設備中。

無(wú)刷直流電動(dòng)機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉子位置的變化，沿著(zhù)一定次序對定子繞組的電流進(jìn)行換流(即檢測轉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)信號轉換電路處理后去控制功率開(kāi)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(kāi)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(lèi)型。采用磁敏式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機，其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專(zhuān)用集成電路等)裝在定子組件上，用來(lái)檢測永磁體、轉子旋轉時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化。

采用光電式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉子旋轉時(shí)，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會(huì )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(wú)刷直流電動(dòng)機，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(kāi)關(guān)、LC諧振電路等)，當永磁體轉子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調制信號(其幅值隨轉子位置而變化)。

優(yōu)越性

直流電機具有響應快速、較大的起動(dòng)轉矩、

電機實(shí)物圖

圖六

從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，但直流電機的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉子磁場(chǎng)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轉動(dòng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會(huì )造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機沒(méi)有碳刷及整流子，免維護、堅固、應用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術(shù)才能達到?，F今半導體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅動(dòng)電機的性能。微處理機速度亦越來(lái)越快，可實(shí)現將交流電機控制置于一旋轉的兩軸直交坐標系統中，適當控制交流電機在兩軸電流分量，達到類(lèi)似直流電機控制并有與直流電機相當的性能。

此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來(lái)越小;像模擬/數字轉換器、脈沖寬度調制…等。直流無(wú)刷電機即是以電子方式控制交流電機換相，得到類(lèi)似直流電機特性又沒(méi)有直流電機機構上缺失的一種應用。

控制結構

圖七

直流無(wú)刷電機是同步電機的一種，也就是說(shuō)電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場(chǎng)的速度及轉子極數(p)影響：

n=120.f/p。在轉子極數固定情況下，改變定子旋轉磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無(wú)刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅動(dòng)器)，控制定子旋轉磁場(chǎng)的頻率并將電機轉子的轉速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說(shuō)直流無(wú)刷電機能夠在額定負載范圍內當負載變化時(shí)仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。

直流無(wú)刷驅動(dòng)器包括電源部及控制部、電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉換輸入電源頻率。

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)轉換器(Converter)轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線(xiàn)圈前須先將直流電壓由換流器(Inverter)轉成3相電壓來(lái)驅動(dòng)電機。換流器(Inverter)一般由6個(gè)功率晶體管(q1～q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線(xiàn)圈的開(kāi)關(guān)?？刂撇縿t提供pwm(脈沖寬度調制)決定功率晶體管開(kāi)關(guān)頻度及換流器(Inverter)換相的時(shí)機。直流無(wú)刷電機一般希望使用在當負載變動(dòng)時(shí)速度可以穩定于設定值而不會(huì )變動(dòng)太大的速度控制，所以電機內部裝有能感應磁場(chǎng)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。但這只是用來(lái)做為速度控制并不能拿來(lái)做為定位控制。

控制原理

圖八

要讓電機轉動(dòng)起來(lái)，控制部就必須根據Hall-sensor感應到的電機轉子所在位置，然后依照定子繞線(xiàn)決定開(kāi)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)電機線(xiàn)圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉磁場(chǎng)，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時(shí)/逆時(shí)轉動(dòng)。當電機轉子轉動(dòng)到Hall-sensor感應出另一組信號的位置時(shí)，控制部又再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續轉動(dòng)直到控制部決定要電機轉子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開(kāi)下臂功率晶體管);要電機轉子反向則功率晶體管開(kāi)啟順序相反。