直流電機的基礎知識

眾所周知，幾乎所有機械發(fā)展都是由電動機完成的。電動機是一種轉(zhuǎn)換能量的方法，它吸收電能并產(chǎn)生機械能。電動機被用來為日常生活中數(shù)百種設備供電。電動機大致分為兩類，即直流(DC)電動機和交流(AC)電動機。在本文中，簡單介紹下直流電機工作原理、類型及優(yōu)缺點。

直流電機的概念

直流電動機是一種以直流電運行的電動機，主要操作依賴于簡單的電磁。載流導體會產(chǎn)生磁場，然后將其置于外部磁場中時，它將遇到與導體中的電流和外部磁場強度成正比的力。它是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，其工作原理是放置在磁場中的載流導體會受到一個力，使其相對于其原始位置旋轉(zhuǎn)。實用的直流電機由提供磁通量的勵磁繞組和充當導體的電樞組成。

無刷直流電機的輸入是電流/電壓，輸出是轉(zhuǎn)矩。從下面的基本圖了解直流電機的操作非常簡單。直流電機基本上由兩個主要部分組成。轉(zhuǎn)動部分稱為轉(zhuǎn)子，靜止部分也稱為定子。轉(zhuǎn)子相對于定子旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子由繞組組成，繞組與換向器電連接。電刷、換向器觸點和轉(zhuǎn)子繞組的幾何形狀使得當通電時，通電繞組和定子磁鐵的極性不對齊，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動，直到它幾乎與定子的磁場磁鐵對齊。

隨著轉(zhuǎn)子對齊，電刷移動到下一個換向器觸點并為下一個繞組通電。旋轉(zhuǎn)使通過轉(zhuǎn)子繞組的電流方向反轉(zhuǎn)，促使轉(zhuǎn)子磁場翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動它繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

直流電機的構(gòu)造

直流電機的結(jié)構(gòu)如下圖所示，在知道它的工作過程之前，了解它的設計是非常重要的，該電機的基本部件包括電樞和定子。

電樞線圈是旋轉(zhuǎn)部分，而靜止部分是定子。在這種情況下，電樞線圈連接到包括電刷和換向器的直流電源。換向器的主要功能是將交流電轉(zhuǎn)換為電樞中感應的直流電?？梢允褂秒娝碾姍C的旋轉(zhuǎn)部分向不活動的外部負載提供電流。電樞的布置可以在電磁鐵的兩個極之間或永久的。

直流電機零件

在直流電機中，有多種流行的電機設計可供選擇，例如無刷、永磁、串聯(lián)、復合繞線、分流器或穩(wěn)定分流器。一般來說，在這些流行的設計中，直流電機的部件是相同的，并且整個操作是相同的。直流電動機的主要部件包括以下內(nèi)容。

定子;像定子這樣的靜止部件是直流電機部件中的部件之一，其中包括勵磁繞組，主要功能是獲取供應。

轉(zhuǎn)子;轉(zhuǎn)子是電機的動態(tài)部分，用于產(chǎn)生裝置的機械旋轉(zhuǎn)。

刷子;使用換向器的電刷主要用作將固定電路固定到轉(zhuǎn)子的橋。

換向器;它是一個設計有銅段的開口環(huán)，也是直流電動機最重要的部件之一。

勵磁繞組;這些繞組由稱為銅線的勵磁線圈制成。

電樞繞組;直流電機中這些繞組的結(jié)構(gòu)有兩種類型，如Lap和Wave。

軛;像軛這樣的磁性框架有時是用鑄鐵或鋼設計的，劣勢守衛(wèi)一樣工作。

磁極;電機中的磁極包括兩個主要部分，如磁極芯和極靴，這些基本部件通過液壓力連接在一起并連接到軛上。

齒/槽;不導電的槽襯經(jīng)?？ㄔ诓郾诤途€圈之間，以確保從頭開始的安全、機械支撐和額外的電氣絕緣。槽之間的磁性材料稱為齒。

電機外殼;電機外殼為電刷、軸承和鐵芯提供支撐。

工作原理

用于將電能從電能轉(zhuǎn)換為機械能的電機稱為直流電機，其工作原理是當載流導體位于磁場中時，它會受到機械力。這個力的方向可以通過弗萊明的左手定則以及它的大小來確定。

如果第一根手指伸出，第二根手指和左手的拇指將相互垂直，第一根手指表示磁場的方向，下一個手指表示當前方向，第三根類似拇指的拇指表示磁場方向通過導體所經(jīng)歷的力方向，其公示為：

F = BIL，單位是牛頓(N)

其中：'B' 是磁通密度，“I”是電流，“L”是導體在磁場中的長度。

每當將電樞繞組提供給直流電源時，就會在繞組內(nèi)建立電流。勵磁繞組或永磁體將提供磁場。因此，基于上述原理，電樞導體會因為磁場而受到力。

此外，換向器被設計成類似部分以獲得單向扭矩，否則一旦導體的運動方式在磁場內(nèi)向上翻轉(zhuǎn)，力的路徑就會每次翻轉(zhuǎn)。所以，這就是直流電機的工作原理。

直流電機的類型

直流電機的類型由多種，下面分別介紹下。

1、齒輪直流電機

減速電機往往會降低電機的速度，但扭矩會相應增加。這個屬性派上用場了，因為直流電機可以以太快的速度旋轉(zhuǎn)，電子設備無法使用。減速電機通常由直流有刷電機和連接到軸的齒輪箱組成。

電機通過兩個連接的單元進行區(qū)分。由于其設計成本、降低復雜性和構(gòu)建工業(yè)設備、執(zhí)行器、醫(yī)療工具和機器人等應用的成本，它具有許多應用。

2、齒輪減速電動機

齒輪減速電動機包括一個小齒輪驅(qū)動一個大齒輪。減速齒輪箱中可能有幾組這些減速齒輪組。

有時使用齒輪電機的目的是降低被驅(qū)動設備中電機的旋轉(zhuǎn)軸速度，例如在小型電子時鐘中，微型同步電機可能以1,200 rpm的速度轉(zhuǎn)動，但降低到1 rpm以驅(qū)動秒針并進一步縮小了時鐘機構(gòu)以驅(qū)動分針和時針。當然，驅(qū)動力的大小無關(guān)緊要，只要它足以克服時鐘機構(gòu)的摩擦影響。

3、串聯(lián)直流電動機

在串聯(lián)直流電動機中，勵磁繞組在內(nèi)部串聯(lián)到電樞繞組。串聯(lián)直流電機提供高啟動扭矩，但絕不能在無負載的情況下運行，并且在首次通電時能夠移動非常大的軸負載。串聯(lián)直流電動機也稱為串繞電動機。

在串聯(lián)直流電動機中，勵磁繞組與電樞串聯(lián)。場強隨電樞電流的變化而變化。在負載降低速度時，串激電動機會產(chǎn)生更優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩。它的啟動扭矩超過了不同種類的直流電機。

此外，它還可以更容易地散發(fā)由于承載大量電流而在繞組中積聚的熱量，其速度在滿載和空載之間變化很大。當負載被移除時，電機速度增加，通過電樞和勵磁線圈的電流減少。大型機器的空載運行是危險的。

通過電樞和勵磁線圈的電流減少，其周圍磁通線的強度減弱。如果線圈周圍磁通線的強度以與流過線圈的電流相同的速率減小，則兩者都將以與電機速度增加相同的速率降低。

主要優(yōu)點

串聯(lián)直流電動機的優(yōu)點包括以下幾點內(nèi)容：

啟動扭矩大

構(gòu)造簡單

設計很容易

維護簡單

具有成本效益

主要應用

串聯(lián)直流電機可以產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)動功率，從怠速狀態(tài)產(chǎn)生的扭矩。這一特性使得串激電機適用于小電器、多功能電器等。串聯(lián)電機不適用于需要恒速的場合，原因是串聯(lián)電動機的速度隨著負載的變化而變化很大。

4、并勵電動機

并勵電動機也可以說并聯(lián)直流電機，其中勵磁繞組分流或并聯(lián)連接到電機的電樞繞組。并聯(lián)直流電機因其最佳的調(diào)速性能而被廣泛使用。此外，電樞繞組和勵磁繞組的供電電壓相同，然而，電樞電流和勵磁電流流存在離散分支。

與串聯(lián)電動機相比，并聯(lián)直流電動機具有一些獨特的工作特性。由于并聯(lián)勵磁線圈由細線制成，它不能像串聯(lián)勵磁那樣產(chǎn)生大電流啟動。這意味著并聯(lián)電動機具有極低的啟動轉(zhuǎn)矩，這要求軸負載非常小。

當電壓施加到分流電機時，非常少量的電流流過分流線圈。并聯(lián)電動機的電樞類似于串聯(lián)電動機，它會吸收電流以產(chǎn)生強磁場。由于電樞周圍的磁場和分流場周圍產(chǎn)生的磁場的相互作用，電機開始旋轉(zhuǎn)。

與串聯(lián)電動機一樣，當電樞開始轉(zhuǎn)動時，會產(chǎn)生反電動勢。反電動勢將導致電樞中的電流開始減小到非常小的水平。當電機達到全速時，電樞將吸收的電流量與負載的大小直接相關(guān)。由于負載一般較小，因此電樞電流較小。

主要優(yōu)點

并聯(lián)電機的優(yōu)點包括以下幾點內(nèi)容：

簡單的控制性能，為解決復雜的驅(qū)動問題提供了高度的靈活性

高可用性，因此需要最少的服務工作

高水平的電磁兼容性

運行非常平穩(wěn)，因此整個系統(tǒng)的機械應力低，控制過程高動態(tài)

寬控制范圍和低速，因此通用

主流應用

并聯(lián)直流電機非常適合皮帶驅(qū)動應用，這種恒速電機用于需要大量扭矩精度的工業(yè)和汽車應用，例如機床和卷繞/放卷機。

5、直流復勵電機

直流復勵電機包括一個他勵并勵磁場，該磁場具有出色的啟動轉(zhuǎn)矩，但在變速應用中面臨問題。這些電機中的磁場可以通過電樞串聯(lián)連接，也可以通過單獨勵磁的并聯(lián)磁場連接。串聯(lián)磁場提供卓越的啟動扭矩，而并聯(lián)磁場提供增強的速度調(diào)節(jié)。但是，串聯(lián)場會在變速驅(qū)動器的應用中引起控制問題，并且通常不用于四象限驅(qū)動器。

6、外勵直流自機

顧名思義，勵磁繞組或線圈通過單獨的直流電源供電。這些電機的獨特之處在于，電樞電流不會在整個勵磁繞組中提供，因為勵磁繞組是通過單獨的外部直流電流源加強的。直流電機的轉(zhuǎn)矩方程為Tg = Ka φ Ia，在這種情況下，轉(zhuǎn)矩是通過改變場磁通“φ”來改變的，并且與“Ia”電樞電流無關(guān)。

7、自勵直流電機

在這種類型的電機中，繞組內(nèi)的電流可以通過電機或機器本身提供。此外，該電機分為串聯(lián)繞組和并聯(lián)繞組電機。

8、永磁直流電機

永磁直流電機(PMDC)包括電樞繞組。這些電機采用永磁體設計，將永磁體放置在定子鐵芯的內(nèi)邊緣以產(chǎn)生磁場通量。另一方面，轉(zhuǎn)子包括傳統(tǒng)的直流電樞，包括電刷和換向器片。

在永磁直流電機中，磁場可以通過永磁體形成。因此輸入電流不用于勵磁，用于空調(diào)、雨刷、汽車啟動器等。

直流電機與微控制器的連接

微控制器不能直接驅(qū)動電機，因此需要某種驅(qū)動器來控制電機的速度和方向。電機驅(qū)動器將充當微控制器和電機之間的接口設備。電機驅(qū)動器將充當電流放大器，因為它們采用低電流控制信號并提供高電流信號。該高電流信號用于驅(qū)動電機。使用L293D芯片是使用微控制器控制電機的一種簡單方法。它內(nèi)部包含兩個 H橋驅(qū)動電路。

該芯片設計用于控制兩個電機。L293D有兩組排列，其中一組具有輸入1、輸入2、輸出1、輸出2，帶有使能引腳，而另一組具有輸入3、輸入4、輸出3、輸出4 和其他使能引腳。

下圖與L293D微控制器接口的直流電機的示例：

L293D有兩組排列，一組有輸入1、輸入2、輸出1和輸出2，另一組有輸入3、輸入4、輸出3和輸出4，根據(jù)上圖所示：

如果引腳2和7為高電平，則引腳3和6也為高電平。如果啟用1和引腳2為高電平，而引腳7為低電平，則電機正向旋轉(zhuǎn)。

如果啟用1和引腳7為高，而引腳2為低，則電機反向旋轉(zhuǎn)。

如今，直流電機仍然存在于許多應用中，小到玩具和磁盤驅(qū)動器，大到操作軋鋼廠和造紙機。

直流電機方程

直流電機經(jīng)歷的通量大小為：F=BlI

其中：B-由勵磁繞組產(chǎn)生的磁通引起的磁通密度，l- 導體的有效長度，I-通過導體的電流。

當導體旋轉(zhuǎn)時，會感應出一個電動勢，該電動勢的作用方向與所提供的電壓相反，它被給出為：

其中：?- Fluz 由于勵磁繞組、P- 極數(shù)、A是常數(shù)、N - 電機的速度、Z- 導體數(shù)量。

電源電壓：V = E b + I a R a，產(chǎn)生的扭矩為：

可以看出，轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。

此外，速度隨電樞電流而變化，因此電動機的轉(zhuǎn)矩和速度間接地相互依賴。對于直流并聯(lián)電機，即使轉(zhuǎn)矩從空載增加到滿載，速度也幾乎保持不變。而對于直流串聯(lián)電動機，速度會隨著轉(zhuǎn)矩從空載到滿載的增加而降低。

因此扭矩可以通過改變速度來控制。速度控制是通過實現(xiàn)：

通過控制流過勵磁繞組的電流來改變磁通 ，即磁通控制方法。通過這種方法，速度被控制在其額定速度之上。

電樞電壓控制——提供低于其正常速度的速度控制。

電源電壓控制——提供雙向速度控制。

四象限操作

通常情況下，一臺電機可以在4個不同的區(qū)域運行。直流電動機的四象限運行包括以下內(nèi)容。

作為正向或順時針方向的電機。

作為正向的發(fā)電機。

作為反向或逆時針方向的電機。

作為反向的發(fā)電機。

在第一象限中，電機以正方向的速度和轉(zhuǎn)矩驅(qū)動負載。

在第二象限，扭矩方向反轉(zhuǎn)，電機充當發(fā)電機

在第三象限，電機以負方向的速度和扭矩驅(qū)動負載。

在第四象限，電動機在反向模式下充當發(fā)電機。

在第一和第三象限，電機正向和反向運行。例如，起重機中的電機用于提升和放下負載。

在第二象限和第四象限中，電動機分別作為正向和反向的發(fā)電機，向電源提供能量。因此，控制電機運行的方法，使其在4個象限中的任何一個運行，就是控制它的速度和旋轉(zhuǎn)方向。

通過改變電樞電壓或削弱磁場來控制速度。通過改變施加電壓大于或小于反電動勢的程度來控制扭矩方向或旋轉(zhuǎn)方向。

直流電機常見故障

了解并了解電機的故障和故障以描述每種情況下最合適的安全裝置非常重要。電機故障分為三種類型，例如機械故障、電氣故障和機械故障，這些故障會發(fā)展為電氣故障。最常發(fā)生的故障包括：

絕緣擊穿

過熱

重載

軸承故障

振動

鎖定轉(zhuǎn)子

軸不對中

反向運行

相位不平衡

交流電機和直流電機中引起故障的常見原因包括以下內(nèi)容：

未正確安裝電機時

當電機被灰塵堵塞時

電機進水時

當電機過熱時

12伏直流電機

12v直流電機價格低廉、體積小且功能強大，可用于多種應用。一旦電機通過電池供電，則通常選擇低工作電壓，因為獲得特定電壓所需的電池更少。但是，在高電壓下，驅(qū)動直流電機通常效率更高。盡管如此，它的操作是可以在1.5伏至100伏的情況下實現(xiàn)的。

通過需要運行扭矩和高啟動的直流電源，12V 直流電機非常適合不同的應用。與其他電機電壓相比，該電機以較低的速度運行，其主要特性包括：

電機轉(zhuǎn)速為350rpm至5000rpm

該電機的額定扭矩范圍為1.1至12.0 in-lbs

該電機的輸出功率范圍從01hp到.21hp

框架尺寸為80毫米

可更換刷子

刷子的典型壽命為2000+小時

直流電機中的反電動勢

一旦載流導體被布置在磁場中，那么扭矩將在導體上感應并且扭矩將旋轉(zhuǎn)切割磁場通量的導體?；?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電磁感應/" target="_blank">電磁感應現(xiàn)象，一旦導體切割磁場，然后在導體內(nèi)感應出電動勢。

感應電動勢方向可以通過弗萊明右手定則確定。根據(jù)這個規(guī)則，如果我們用90°的角度握住拇指、食指和中指，那么食指將表示磁場的方向。在這里，拇指代表導體的運動方式，中指代表導體上的感應電動勢。

通過應用弗萊明右手定則，可以注意到感應電動勢的方向與施加的電壓相反。所以電動勢被稱為反電動勢或反電動勢。反電動勢的發(fā)展可以通過施加的電壓串聯(lián)完成，但是方向相反，即反電動勢抵抗導致它的電流流動。

反電動勢大小可以通過類似的表達式給出，如下所示：

Eb=NPφZ/60A

其中：“Eb”是電機的感應電動勢，稱為反電動勢、“A”是反極性電刷中電樞上的平行通道數(shù)、“P”是極點的數(shù)目、“N”是速度、“Z”是電樞內(nèi)的導體總數(shù)、'φ' 是每個極點的有用通量。

此外，與施加的電壓相比，反電動勢幅度始終較低。一旦直流電機在正常條件下工作，兩者之間的差異幾乎相等。由于主電源，電流將在直流電機上感應。主電源、反電動勢和電樞電流之間的關(guān)系可以表示為Eb=V – IaRa。

四象限控制直流電機運行的應用

使用與7個開關(guān)接口的微控制器可以實現(xiàn)對4象限中直流電機操作的控制。

情況1： 當按下啟動和順時針開關(guān)時，單片機中的邏輯給引腳7輸出邏輯低電平，給引腳2輸出邏輯高電平，使電機順時針方向旋轉(zhuǎn)并在第一象限運行。按下 PWM開關(guān)可以改變電機的速度，從而將不同持續(xù)時間的脈沖施加到驅(qū)動器IC的使能引腳，從而改變施加的電壓。

情況 2：當按下正向制動器時，微控制器邏輯將邏輯低電平施加到引腳7，并將邏輯高電平施加到引腳2，電機趨于反向運行，導致它立即停止。

類似地，按下逆時針開關(guān)使電機反向運動，即在第三象限運行，按下反向制動開關(guān)使電機立即停止。

因此，通過微控制器的適當編程和開關(guān)，可以在每個方向上控制電機操作。

總結(jié)

以上關(guān)于直流電機的基礎知識概述內(nèi)容，不難看出，直流電機的優(yōu)點在于它們?yōu)榧铀俸蜏p速提供了出色的速度控制、易于理解的設計以及簡單、廉價的驅(qū)動設計。