直流电机

介绍

我们今天看到的几乎每一个机械动作都是由电动机完成的。电动机吸收电能并产生机械能。电动机有各种规格和尺寸。大型电动机的一些应用包括电梯、轧机和电动火车。小型电动机的一些应用是机器人、汽车和电动工具。电动机分为两类:直流(直流电)电动机和交流(交流电)电动机。交流电动机和直流电动机的作用是一样的,即把电能转换成机械能。

这两个的基本差异是电源,它是AC电动机的AC源和DC电机的直流源。两个AC和DC电动机包括一个定子,该定子是静止部分和转子,该转子是电动机的旋转部分或电枢。电动机的工作原理基于由定子产生的磁场的相互作用和在转子中流动的电流以产生转速和扭矩。

有不同种类的直流电动机,它们都以相同的原理工作。直流电机是一种机电致动器,用于产生具有可控转速的连续运动。直流电机适用于需要速度控制和伺服类型控制或定位的应用。

一个简单的直流电机如下图所示。

简单的直流电机

图像资源链接:mind.ilstu.edu/curriculum/medical_robotics/dcmotor.jpg

如前所述,任何电机都由定子和转子两部分组成。根据配置和结构,直流电机有三种类型:有刷电机、无刷电机和伺服电机。

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直流电机的工作原理

机电能量转换装置将在输入端获取电能,并在输出端产生机械能。有三种电机广泛用于这项任务:直流电机,感应或异步电机和同步电机。感应电动机和同步电动机都是交流电动机。在所有的电动机中,当连接线圈的磁通量发生变化时,电能就转化为机械能。

电动机将电能作为输入和转换成机械能。

电动马达
电动马达

当电能施加到垂直于磁场的方向上放置的导体时,流过导体的电流与磁场之间的相互作用的结果是力。该力将导体推向垂直于电流和磁场的方向上,因此,力是机械的。

如果已知磁场的密度B、导体的长度L和流经导体的电流I,就可以计算出力的值。

施加在导体上的力由

F = B×I×L牛顿

导体的运动方向可以通过弗莱明左手法则来确定。

弗莱明左手法则适用于所有的电动机。

表示弗莱明的左手规则的图形如下所示。

弗莱明左手法则

图像资源链接:daido-亚博最新官网网址electronics.co.jp /英语/ qa / magnet_lexicon /公顷/图片/ ha12.gif

当携带电流的导体置于磁场中时,一个垂直于磁场和电流方向的力作用在导体上。

根据弗莱明的左手规则,左手拇指表示力的方向,食指表示磁场的方向,中间指表示电流的方向。

直流电机由电枢绕组和励磁绕组两组线圈组成。磁场绕组是用来产生磁场的。一套永磁体也可用于此目的。如果使用励磁绕组,它就是电磁铁。励磁绕组是电动机或定子的固定部分。电枢绕组是电机的转子部分。转子被放置在定子的内部。转子或电枢通过机械换向器与外部电路相连。

一般采用铁磁性材料制造定子和转子,定子和转子之间由气隙隔开。定子内部的线圈绕组是由多个线圈串联或并联连接而成。铜绕组通常用于电枢绕组和励磁绕组。

下面将解释直流电机的工作原理。

直流电机运行原理
直流电机运行原理
图片资源链接:ustudy.in/sites/default/files/images/dc%20motor.JPG

考虑一个线圈放置在磁通密度为B特斯拉的磁场中。当线圈通过连接直流电源提供直流电时,电流I流过线圈的长度。线圈中的电流与磁场相互作用,结果是根据洛伦兹力方程对线圈施加一个力。这个力与磁场的强度和导体中的电流成正比。

在直流电动机中使用相同的原理,它由几个线圈组成,该线圈缠绕在电枢上,并且所有线圈都经历相同的力。该力的结果是电枢的旋转。导体在磁场中的旋转将导致扭矩。与导体连接的磁通量在磁场中线圈的不同位置不同,并且这些原因根据电磁感应的法律规律在线圈中诱导EMF。该EMF被称为反向EMF。该EMF的方向与电源电压相反,该电源电压负责电流在导体中流动。因此,在电枢中流动的电流的总量与电源电压和后电动势之间的差异成比例。

DC电动机的电力等效物如下所示。

直流电机等效电路
直流电机等效电路

DC电动电气等效电路分为两个电路:场电路和电枢电路。场电路负责磁场,并提供单独的直流电压V.F.励磁绕组的电阻和电感用R表示F和LF.由电压产生的电流为IF在绕组中产生,并形成必要的磁场。

在电枢中,电压VT.应用于电机的端子和电流i一种在电枢电路中流动。电枢绕组的电阻为Ra,电枢感应的总电压为EB.

在两个电路中应用基尔霍夫电压定律,

V.F= I.F* RF

V.T.= I.一种* R一种+ EB.

电机中产生的转矩为

T = k * I一种*φ.

其中k是常数,取决于线圈的几何形状,Φ是磁通量。

电动机的电力为EB.*我一种

已开发功率,即转换为机械形式的功率如下:

P = t * ωn式中ω为角速度。

这是传递给感应电枢电压和的总功率

E.B.*我一种= t * ωn

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直流电机类型

直流电动机按转子供电方式主要分为两类。它们是有刷直流电机和无刷直流电机。顾名思义,刷存在于有刷直流电动机中,通过换向器向旋转电枢提供电流,而在无刷直流电动机中不需要刷,因为它使用的是永磁转子。

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拉丝直流电动机

在这种类型的电动机中,磁场是通过电流通过转子内部的换向器和电刷产生的。因此,它们被称为刷毛汽车。这些刷子是用碳做的。这些可以是单独励磁或自励磁电机。

电动机的定子部分由以圆形方式连接的线圈组成,使得形成所需的替代北极和南极。该线圈设置可以串联或与转子线圈绕组形成系列卷绕直流电机和分流卷绕直流电动机串联。DC电动机的电枢或转子部分由换向器组成,该换向器基本上是电流承载导体,其在一端连接到电隔离的铜段。外部电源可以通过刷子连接到换向器,因为电枢旋转。

拉丝直流电动机

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拉丝直流电机类型

根据电枢绕组和现场绕组的电气连接分类DC电动机。不同类型的连接产生不同类型的电机。基于磁场的产生分开DC电动机。直流电机有三种主要类型:单独兴奋,自兴,永磁体。在永磁型电动机的情况下,使用强大的磁体来产生所需的磁场。在单独激发和自我激励的电动机的情况下,电磁铁部署在定子结构中。

自兴型直流电机再次分为三种类型:分流兴奋,系列兴奋和复合兴奋。

复合励磁电机又分为累积型和差动型,每一种复合励磁电机都有长并励和短并励两种类型。

他励电动机

顾名思义,单独励磁的直流电机使用单独的电源进行电枢绕组和磁场绕组。这意味着电枢绕组和磁场绕组在电上是相互分离的。

他励电动机
他励电动机

随着源不同,电枢电流和磁场电流不会相互干扰。但总输入功率是各个权力的总和。如果V.F和我F电压和电流是否对应于磁场电路和Vt和我一种为电枢电路对应的电压和电流,则总输入功率为VF*我F+ Vt*我一种

自激电机

在自激直流电机中,励磁绕组和电枢绕组不是单独的电压源,而是连接在单个电源上。这种连接有两种方式:并联和串联。因此,自激电机又分为并励直流电机和串励直流电机。

并励直流电机:在分流直流电动机的情况下,场绕组和电枢绕组在相同的电源上并联连接,因此场绕组暴露于整个端子电压。即使供应是相同的,场电流和电枢电流也不同。分流直流电动机的速度是恒定的,输出处的机械负载没有变化。

并联直流电机的结构如下图所示。

分流直流电机
分流直流电机

下面示出了分流直流电动机的电力等效物。

分流直流电机等效电路
分流直流电机等效电路

如果是B.那是马达的反电动势吗

V.t= E.B.+我一种* R一种

若电枢常数为Ka,其转速为ω,则

E.B.= K.一种*ω*φ

其中φ是磁通量。

因此,

V.t= K.一种* ω * Φ + I一种* R一种

总电流是It= I.F+我一种

因此,总幂是P = Vt*我t

系列电机:在DC电动机系列的情况下,现场绕组和电枢绕组与电源串联连接。因此,在现场绕组和电枢绕组中流动的电流相同。

系列卷绕电机也称为通用电机,因为它适用于交流电源或直流电压。

不管电压源的极性如何,串联绕线的电机总是朝着同一个方向旋转。这是因为如果我们改变极性,电枢绕组的极性和磁场的方向会同时颠倒。串联直流电机的速度随机械负载的变化而变化。

串联卷绕直流电动机的图形表示如下所示。

系列直流电机
系列直流电机

串联直流电机的电气等效如下图所示。

系列直流电机等效电路
系列直流电机等效电路

复合汽车:复合缠绕电机使用串联绕组和分流场绕组的组合。系列绕组与电动机的电枢串联连接,而分流绕组并联连接。

由于产生磁场的有两个场电路,复合直流电动机可以根据磁通量的方向进一步分为两种类型。这些是累积复合直流电机和差动复合直流电机。

如果分流场的磁通协助串联场的磁通,即两者方向相同,则为累积复合直流电动机。在这种情况下,总磁通量是各个磁通量的总和。

Φ总计系列+φ.分流器

累积化合物直流电动机的结构处于下图。

累积复合直流电机电路
累积复合直流电机电路

电学等效如下图所示。

累积复合直流电动机等效电路
累积复合直流电动机等效电路

在差动复合直流电机中,串联场和并联场产生的磁通方向相反,总磁通就是它们之间的差。

Φ总计系列- - - - - -Φ分流器

在这种情况下,净磁通量小于原始通量,因此差分化合物直流电动机没有找到许多实际应用。

累积式和差动式复合直流电动机可根据分流励磁绕组的分流方式进一步分为长分流和短分流装置。

对于长并励电机,并励励磁绕组既与电枢平行又与串联励磁绕组平行。

长分流
长分流

如果分流场绕组仅与电枢平行,则它是短的分流器。

短分流
短分流

永磁直流电动机:在永磁直流电动机的情况下,使用强大的磁体来产生磁场。因此,永磁直流电动机仅由电枢绕组组成。

下图是一种永磁拉丝直流电机。

永磁刷直流电机图像资源链接:hades.mech.northwestern.edu/images/thumb/c/cf/Motor_Commutators.jpg/400px-Motor_Commutators.jpg

永磁刷式直流电动机比定子绕线式直流电动机更小、更便宜。通常,像钐钴或钕铁硼这样的稀土磁体被用作永磁体直流电机的磁体,因为它们是非常强大的磁体,具有高磁场。

永磁直流电动机的速度/扭矩特性比定子卷绕直流电动机更线性。

有刷直流电机的缺点是在重载条件下换向器和电刷之间会产生火花。这会产生大量的热量,减少电机的寿命。

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无刷直流电动机

直流无刷电机通常由一个永磁转子和一个线圈绕定子组成。这种在转子中使用永磁体的设计消除了在转子部分使用电刷的需要。因此,与有刷直流电机相比,这些类型不包含任何刷子,因此没有磨损的刷子,因为少量的热量产生。

BLDC.

图像资源链接:zeva.com.au/tech/motors/bldc.gif

由于电动机中没有刷子,应该有一些其他方法来检测转子的角度位置。霍尔效应传感器用于产生控制任何半导体开关装置所需的反馈信号。无刷直流电动机比刷式直流电机更昂贵,比刷牙表兄弟更有效。

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直流伺服电机

小型电机将高速旋转,但其扭矩不足以移动任何负载。直流伺服电机由四个部分组成:正常直流电机,用于速度控制的变速箱,控制电路和位置感测单元。变速箱将采用高速输入并转换成较慢但更实用的速度。位置感测单元通常是电位器。控制电路是误差检测器放大器。

在直流伺服电机中,轴的位置反馈到控制电路,因此,它们被用于闭环应用。

电位器接在轴上。它允许控制电路监控电机的位置。控制电路将此位置与参考输入信号进行比较。控制电路的输出被反馈给电机。如果当前位置与参考位置存在失配,则误差检测放大器输出产生误差信号。基于这个信号,轴旋转并到达所需的位置并停止。

大多数直流伺服电机转速可达180度0.在任何方向。直流伺服电机用于远程控制设备,机器人,甚至在大型工业应用。

直流伺服电机

图像资源链接:electrical4u.com/electrical/wp content/uploads/2013/07/servo -汽车- 3. png

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驱动直流电机

在晶体管,开关或继电器的帮助下,可以打开或关闭DC电动机。最简单的电动机控制形式是使用作为开关的双极结晶体管的线性控制。驱动电路的目的是控制绕组中的电流。通过改变晶体管中的基极电流的量,可以控制电动机的速度。如果晶体管处于活动状态,则电动机以半速旋转,只有电源电压的一半进入电机。当所有电源电压转到它时,电机以其最大速度旋转。当晶体管处于饱和时,会发生这种情况。

以下电路用于在一个方向上驱动电动机。

单向电机驱动电路
单向电机驱动电路

在上述电路中,电阻器RB.和R1是非常重要的。电阻RB.用于保护控制电路免受电流尖峰的影响。电阻R1确保当输入引脚为三态时晶体管关闭。

电机的速度可以通过调节电源电压来控制,因为速度与电源的平均值成正比。

脉冲电源
脉冲电源

接通时间的百分比称为占空比。上述脉冲的占空比为β = a / (a + b)。

通过改变占空比,即通过改变脉冲的宽度,可以改变电动机的旋转速度。这被称为PWM(脉冲宽度调制)技术。也可以改变速度而不改变脉冲的宽度。这是通过改变脉冲的频率来实现的。这称为PFM(脉冲频率调制)。

改变直流电机方向:上述驱动电路的缺点是它是单向的,即电机总是在一个方向上旋转。为了改变电机的旋转方向,必须反转电源的极性。为了达到这个目的,可以使用不同的开关。

第一个连接是使用DPDT(双极,双掷)开关。

连接如下所示。

DPDT Switch.
DPDT Switch.

当开关位于A位置时,电机向前旋转。当电机的端子连接到位置B的开关时,方向相反。

第二个连接使用四个SPST (Single Post, Single Throw)开关。

SPST开关
SPST开关

通过组合不同的开关,可以实现不同的功能。

这些组合及其各自的操作如下。

A + D - 向前方向

B + C -反向

A + B -停车和刹车

C + D - 停止和制动器

所有的休息 - 停止了

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H桥电机驱动器

为了更好地实现直流电机的双向控制,需要一个称为H桥的电路。H桥的名称是由于它的原理图外观与电机在中心杆上的位置有关。这个电路可以用来在任何方向上移动电流通过电机绕组。

H桥DC电动机驱动器的电路如下所示。

H桥驱动电路
H桥驱动电路

控制信号CNTRL 1,CNTRL 2,CNTRL 3和CNTRL 4用于分别接通和断开晶体管Q1,Q2,Q3和Q4。

电机状态和控制

该操作是不言自明的。必须考虑的一个重要考虑因素是,当输入是不可预测的,所有FET必须处于关闭状态,因此H-Bridge的每一半的晶体管都不会同时开启。因此,使用用于每个晶体管的拉下电阻。

用于H桥实现的另一电路如下所示。

H -桥梁实施

H桥式功能表

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L293D电机驱动IC

L293D IC是一种用于H - 桥梁概念的电机驱动器IC。该IC允许电机在两个方向上驱动。L293D IC是一个16针设备,具有两组输入和输出。因此,可以用单个IC控制两个直流电动机。

L293D IC的销图如下。

L293D IC的引脚图引脚2、7和10、15是用于控制电机旋转的控制信号。

对于电动机1,

引脚2 =逻辑1和逻辑7 =逻辑0——正向

引脚2 =逻辑0,引脚7 =逻辑1——反向

对于其他组合,没有旋转。

类似地,对于电机2,

引脚10 =逻辑1和引脚15 =逻辑0-向前方向

引脚10 =逻辑0和引脚15 =逻辑1——反向。

使用L293D电机驱动IC控制两个电机的电路如下图所示。

L293D集成电路示意图电压vcc1用于内部操作,即可激活信号或启用或禁用。要驱动电动机,使用电源Vcc2。通常VCC1 = 5V和VCC2 = 9或12 V.

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接下来是声音换能器

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