直流電機(jī)的基礎(chǔ)知識

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

直流電機(jī)的概念

直流電動機(jī)是一種以直流電運行的電動機(jī)，主要操作依賴于簡單的電磁。載流導(dǎo)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(dǎo)體中的電流和外部磁場強(qiáng)度成正比的力。它是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，其工作原理是放置在磁場中的載流導(dǎo)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(jī)由提供磁通量的勵磁繞組和充當(dāng)導(dǎo)體的電樞組成。

無刷直流電機(jī)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(jī)的操作非常簡單。直流電機(jī)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(dāng)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(jī)的構(gòu)造

直流電機(jī)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(shè)計是非常重要的，該電機(jī)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(yīng)的直流電。可以使用電刷從電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分向不活動的外部負(fù)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(jī)零件

在直流電機(jī)中，有多種流行的電機(jī)設(shè)計可供選擇，例如無刷、永磁、串聯(lián)、復(fù)合繞線、分流器或穩(wěn)定分流器。一般來說，在這些流行的設(shè)計中，直流電機(jī)的部件是相同的，并且整個操作是相同的。直流電動機(jī)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(jī)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(yīng)。

轉(zhuǎn)子;轉(zhuǎn)子是電機(jī)的動態(tài)部分，用于產(chǎn)生裝置的機(jī)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(shè)計有銅段的開口環(huán)，也是直流電動機(jī)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(jī)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(shè)計的，劣勢守衛(wèi)一樣工作。

磁極;電機(jī)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(dǎo)電的槽襯經(jīng)常卡在槽壁和線圈之間，以確保從頭開始的安全、機(jī)械支撐和額外的電氣絕緣。槽之間的磁性材料稱為齒。

電機(jī)外殼;電機(jī)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(jī)械能的電機(jī)稱為直流電機(jī)，其工作原理是當(dāng)載流導(dǎo)體位于磁場中時，它會受到機(jī)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(dāng)前方向，第三根類似拇指的拇指表示磁場方向通過導(dǎo)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(dǎo)體在磁場中的長度。

每當(dāng)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(dǎo)體會因為磁場而受到力。

此外，換向器被設(shè)計成類似部分以獲得單向扭矩，否則一旦導(dǎo)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(jī)的工作原理。

直流電機(jī)的類型

直流電機(jī)的類型由多種，下面分別介紹下。

1、齒輪直流電機(jī)

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

電機(jī)通過兩個連接的單元進(jìn)行區(qū)分。由于其設(shè)計成本、降低復(fù)雜性和構(gòu)建工業(yè)設(shè)備、執(zhí)行器、醫(yī)療工具和機(jī)器人等應(yīng)用的成本，它具有許多應(yīng)用。

2、齒輪減速電動機(jī)

齒輪減速電動機(jī)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(jī)的目的是降低被驅(qū)動設(shè)備中電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸速度，例如在小型電子時鐘中，微型同步電機(jī)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(jìn)一步縮小了時鐘機(jī)構(gòu)以驅(qū)動分針和時針。當(dāng)然，驅(qū)動力的大小無關(guān)緊要，只要它足以克服時鐘機(jī)構(gòu)的摩擦影響。

3、串聯(lián)直流電動機(jī)

在串聯(lián)直流電動機(jī)中，勵磁繞組在內(nèi)部串聯(lián)到電樞繞組。串聯(lián)直流電機(jī)提供高啟動扭矩，但絕不能在無負(fù)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(fù)載。串聯(lián)直流電動機(jī)也稱為串繞電動機(jī)。

在串聯(lián)直流電動機(jī)中，勵磁繞組與電樞串聯(lián)。場強(qiáng)隨電樞電流的變化而變化。在負(fù)載降低速度時，串激電動機(jī)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(jī)。

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(dāng)負(fù)載被移除時，電機(jī)速度增加，通過電樞和勵磁線圈的電流減少。大型機(jī)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(qiáng)度減弱。如果線圈周圍磁通線的強(qiáng)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(jī)速度增加相同的速率降低。

主要優(yōu)點

串聯(lián)直流電動機(jī)的優(yōu)點包括以下幾點內(nèi)容：

啟動扭矩大

構(gòu)造簡單

設(shè)計很容易

維護(hù)簡單

具有成本效益

主要應(yīng)用

串聯(lián)直流電機(jī)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(jī)適用于小電器、多功能電器等。串聯(lián)電機(jī)不適用于需要恒速的場合，原因是串聯(lián)電動機(jī)的速度隨著負(fù)載的變化而變化很大。

4、并勵電動機(jī)

并勵電動機(jī)也可以說并聯(lián)直流電機(jī)，其中勵磁繞組分流或并聯(lián)連接到電機(jī)的電樞繞組。并聯(lián)直流電機(jī)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(jī)相比，并聯(lián)直流電動機(jī)具有一些獨特的工作特性。由于并聯(lián)勵磁線圈由細(xì)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(jī)具有極低的啟動轉(zhuǎn)矩，這要求軸負(fù)載非常小。

當(dāng)電壓施加到分流電機(jī)時，非常少量的電流流過分流線圈。并聯(lián)電動機(jī)的電樞類似于串聯(lián)電動機(jī)，它會吸收電流以產(chǎn)生強(qiáng)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(jī)開始旋轉(zhuǎn)。

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

主要優(yōu)點

并聯(lián)電機(jī)的優(yōu)點包括以下幾點內(nèi)容：

簡單的控制性能，為解決復(fù)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(wù)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(jī)械應(yīng)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(yīng)用

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

5、直流復(fù)勵電機(jī)

直流復(fù)勵電機(jī)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(yīng)用中面臨問題。這些電機(jī)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(qiáng)的速度調(diào)節(jié)。但是，串聯(lián)場會在變速驅(qū)動器的應(yīng)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(jī)

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(jī)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(qiáng)的。直流電機(jī)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(jī)

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

8、永磁直流電機(jī)

永磁直流電機(jī)(PMDC)包括電樞繞組。這些電機(jī)采用永磁體設(shè)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(jī)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(jī)與微控制器的連接

微控制器不能直接驅(qū)動電機(jī)，因此需要某種驅(qū)動器來控制電機(jī)的速度和方向。電機(jī)驅(qū)動器將充當(dāng)微控制器和電機(jī)之間的接口設(shè)備。電機(jī)驅(qū)動器將充當(dāng)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(jī)。使用L293D芯片是使用微控制器控制電機(jī)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(shè)計用于控制兩個電機(jī)。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(jī)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(jī)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(jī)反向旋轉(zhuǎn)。

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

直流電機(jī)方程

直流電機(jī)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(dǎo)體的有效長度，I-通過導(dǎo)體的電流。

當(dāng)導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)時，會感應(yīng)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(jī)的速度、Z- 導(dǎo)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(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度間接地相互依賴。對于直流并聯(lián)電機(jī)，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(jī)，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(jī)可以在4個不同的區(qū)域運行。直流電動機(jī)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(jī)。

作為正向的發(fā)電機(jī)。

作為反向或逆時針方向的電機(jī)。

作為反向的發(fā)電機(jī)。

在第一象限中，電機(jī)以正方向的速度和轉(zhuǎn)矩驅(qū)動負(fù)載。

在第二象限，扭矩方向反轉(zhuǎn)，電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)

在第三象限，電機(jī)以負(fù)方向的速度和扭矩驅(qū)動負(fù)載。

在第四象限，電動機(jī)在反向模式下充當(dāng)發(fā)電機(jī)。

在第一和第三象限，電機(jī)正向和反向運行。例如，起重機(jī)中的電機(jī)用于提升和放下負(fù)載。

在第二象限和第四象限中，電動機(jī)分別作為正向和反向的發(fā)電機(jī)，向電源提供能量。因此，控制電機(jī)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(jī)常見故障

了解并了解電機(jī)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(jī)故障分為三種類型，例如機(jī)械故障、電氣故障和機(jī)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(jī)和直流電機(jī)中引起故障的常見原因包括以下內(nèi)容：

未正確安裝電機(jī)時

當(dāng)電機(jī)被灰塵堵塞時

電機(jī)進(jìn)水時

當(dāng)電機(jī)過熱時

12伏直流電機(jī)

12v直流電機(jī)價格低廉、體積小且功能強(qiáng)大，可用于多種應(yīng)用。一旦電機(jī)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(jī)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(jī)非常適合不同的應(yīng)用。與其他電機(jī)電壓相比，該電機(jī)以較低的速度運行，其主要特性包括：

電機(jī)轉(zhuǎn)速為350rpm至5000rpm

該電機(jī)的額定扭矩范圍為1.1至12.0 in-lbs

該電機(jī)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(jī)中的反電動勢

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

感應(yīng)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(dǎo)體的運動方式，中指代表導(dǎo)體上的感應(yīng)電動勢。

通過應(yīng)用弗萊明右手定則，可以注意到感應(yīng)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(dǎo)致它的電流流動。

反電動勢大小可以通過類似的表達(dá)式給出，如下所示：

Eb=NPφZ/60A

其中：“Eb”是電機(jī)的感應(yīng)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(dǎo)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(jī)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(jī)上感應(yīng)。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(jī)運行的應(yīng)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(jī)操作的控制。

情況1： 當(dāng)按下啟動和順時針開關(guān)時，單片機(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)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(jī)趨于反向運行，導(dǎo)致它立即停止。

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

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

總結(jié)

以上關(guān)于直流電機(jī)的基礎(chǔ)知識概述內(nèi)容，不難看出，直流電機(jī)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(shè)計以及簡單、廉價的驅(qū)動設(shè)計。