什么是直流電機(jī)

分類：技術(shù)中心 3143人瀏覽 2020-12-17

標(biāo)簽：電機(jī)直流電機(jī) 分享到：

直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為永磁、他勵(lì)和自勵(lì)3類，其中自勵(lì)又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)3種。
當(dāng)直流電源通過電刷向電樞繞組供電時(shí)，電樞表面的N極下導(dǎo)體可以流過相同方向的電流，根據(jù)左手定則導(dǎo)體將受到逆時(shí)針方向的力矩作用；電樞表面S極下部分導(dǎo)體也流過相同方向的電流，同樣根據(jù)左手定則導(dǎo)體也將受到逆時(shí)針方向的力矩作用。這樣，整個(gè)電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械能。由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子：基座，主磁極，換向極，電刷裝置等；轉(zhuǎn)子（電樞）：電樞鐵心，電樞繞組，換向器，轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等。

基本構(gòu)造
分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。注意：不要把換向極與換向器弄混淆了。
定子包括：主磁極，機(jī)座，換向極，電刷裝置等。
轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞(shu)繞組，換向器，軸和風(fēng)扇等。
轉(zhuǎn)子組成
直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部分由電樞鐵芯、電樞、換向器等裝置組成，下面對(duì)構(gòu)造中的各部件進(jìn)行詳細(xì)介紹。
1.電樞鐵芯部分：其作用是嵌放電樞繞組和顛末磁通，為了下降電機(jī)工作時(shí)電樞鐵芯中發(fā)作的渦流損耗和磁滯損耗。
2.電樞部分：作用是發(fā)作電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而進(jìn)行能量變換。電樞繞組有許多線圈或玻璃絲包扁鋼銅線或強(qiáng)度漆包線。
3.換向器又稱整流子，在直流電動(dòng)機(jī)中，它的作用是將電刷上的直流電源的電流變換成電樞繞組內(nèi)的溝通電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的傾向穩(wěn)定不變，在直流發(fā)電機(jī)中，它將電樞繞組溝通電動(dòng)勢(shì)變換為電刷端上輸出地直流電動(dòng)勢(shì)。
換向器由許多片構(gòu)成的圓柱體之間用云母絕緣，電樞繞組每一個(gè)線圈兩端區(qū)分接在兩個(gè)換向片上。直流發(fā)電機(jī)中換向器的作用是把電樞繞組中的交變電動(dòng)熱變換為電刷間的直流電動(dòng)勢(shì)，負(fù)載中就有電流通過，直流發(fā)電機(jī)向負(fù)載輸出電功率，同時(shí)電樞線圈中也肯定有電流通過。它與磁場相互作用發(fā)作電磁轉(zhuǎn)矩，其傾向與發(fā)電機(jī)相反，原想法只需抑制這一磁場轉(zhuǎn)矩才華股動(dòng)電樞改變。因此，發(fā)電機(jī)向負(fù)載輸出電功率的還，從原想法輸出機(jī)械功率，完結(jié)了直流發(fā)電機(jī)將機(jī)械能變換為電能的作用。

直流電機(jī)的分類
勵(lì)磁方式
直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指對(duì)勵(lì)磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)而建立主磁場的問題。根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為下列幾種類型：
1．他勵(lì)直流電機(jī)
勵(lì)磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵(lì)直流電機(jī)。永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)直流電機(jī)。
2．并勵(lì)直流電機(jī)
并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)。作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵(lì)磁繞組供電；作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來說，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。
3．串勵(lì)直流電機(jī)
串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)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(lì)磁電流就是電樞電流。
4．復(fù)勵(lì)直流電機(jī)
復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向相同稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢(shì)方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。
不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式，直流發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是他勵(lì)式、并勵(lì)式和和復(fù)勵(lì)式。
特點(diǎn)
(一)調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。
(二)起動(dòng)力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負(fù)載下起動(dòng)或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機(jī)械，例如大型可逆軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、電力機(jī)車、電車等，都用直流。
電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。
有無刷分類
1.無刷直流電動(dòng)機(jī)：無刷直流電動(dòng)機(jī)是將普通直流電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子進(jìn)行了互換。其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵產(chǎn)生氣隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構(gòu)上，它與永磁同步電動(dòng)機(jī)類似。
無刷直流電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同．在鐵芯中嵌入多相繞組(三相、四相、五相不等)．繞組可接成星形或三角形，并分別與逆變器的各功率管相連，以便進(jìn)行合理換相。轉(zhuǎn)子多采用釤鈷或釹鐵硼等高矯頑力、高剩磁密度的稀土料，由于磁極中磁性材料所放位置的不同．可以分為表面式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。由于電動(dòng)機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以習(xí)慣上把無刷直流電動(dòng)機(jī)也叫做永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。
2.有刷直流電動(dòng)機(jī)：有刷電動(dòng)機(jī)的2個(gè)刷(銅刷或者碳刷)是通過絕緣座固定在電動(dòng)機(jī)后蓋上直接將電源的正負(fù)極引入到轉(zhuǎn)子的換相器上，而換相器連通了轉(zhuǎn)子上的線圈，3個(gè)線圈極性不斷的交替變換與外殼上固定的2塊磁鐵形成作用力而轉(zhuǎn)動(dòng)起來。由于換相器與轉(zhuǎn)子固定在一起，而刷與外殼(定子)固定在一起，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刷與換相器不斷的發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的阻力與熱量。所以有刷電機(jī)的效率低下?lián)p耗非常大。但是它同樣具有制造簡單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

由于電機(jī)電樞回路電阻和電感都較小，而轉(zhuǎn)動(dòng)體具有一定的機(jī)械慣性，因此當(dāng)電機(jī)接通電源后，起動(dòng)的開始階段電樞轉(zhuǎn)速以及相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)很小，起動(dòng)電流很大。最大可達(dá)額定電流的15～20倍。這一電流會(huì)使電網(wǎng)受到擾動(dòng)、機(jī)組受到機(jī)械沖擊、換向器發(fā)生火花。因此直接合閘起動(dòng)只適用于功率不大于4千瓦的電動(dòng)機(jī)（起動(dòng)電流為額定電流的6～8倍）。
為了限制起動(dòng)電流，常在電樞回路內(nèi)串入專門設(shè)計(jì)的可變電阻,其原理接線見圖1。在起動(dòng)過程中隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高及時(shí)逐級(jí)將各分段電阻短接，使起動(dòng)電流限制在某一允許值以內(nèi)。這種起動(dòng)方法稱為串電阻起動(dòng)，非常簡單，設(shè)備輕便，廣泛應(yīng)用于各種中小型直流電動(dòng)機(jī)中。但由于起動(dòng)過程中能量消耗大，不適于經(jīng)常起動(dòng)的電機(jī)和中、大型直流電動(dòng)機(jī)。但對(duì)于某些特殊需要，例如城市電車雖經(jīng)常起動(dòng)，為了簡化設(shè)備，減輕重量和操作維修方便，通常采用串電阻起動(dòng)方法。
對(duì)容量較大的直流電動(dòng)機(jī)，通常采用降電壓起動(dòng)。即由單獨(dú)的可調(diào)壓直流電源對(duì)電機(jī)電樞供電，控制電源電壓既可使電機(jī)平滑起動(dòng)，又能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。此種方法電源設(shè)備比較復(fù)雜。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩T而變化的特性【n=f(T)】稱為機(jī)械特性。它是選用電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要依據(jù)。各類電動(dòng)機(jī)都因有自己的機(jī)械特性而適用于不同的場合。
調(diào)速　從直流電動(dòng)機(jī)的電樞回路看,電源電壓U與電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)Ed和電樞電流Id在電樞回路電阻Rd上的電壓降必須平衡。即U=Ed+IdRd
反電動(dòng)勢(shì)又與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和磁通φ有關(guān)，電樞電流又與機(jī)械轉(zhuǎn)矩M和磁通φ有關(guān)。即 z4系列直流電動(dòng)機(jī)
Ed=Cφn，M=CφId式中C
為常數(shù)。由此可得式中n0為空載轉(zhuǎn)速，k 為Rа/C2。以上是未考慮鐵心飽和等因素時(shí)的理想關(guān)系，但對(duì)實(shí)際直流電動(dòng)機(jī)的分析也有指導(dǎo)意義。由上可見直流電動(dòng)機(jī)有3種調(diào)速方法：調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流、調(diào)節(jié)電樞端電壓和調(diào)節(jié)串入電樞回路的電阻。調(diào)節(jié)電樞回路串聯(lián)電阻的辦法比較簡便，但能耗較大；
且在輕負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載電流小，串聯(lián)電阻上電壓降小，故轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)很不靈敏。調(diào)節(jié)電樞端電壓并適當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，可以使直流電動(dòng)機(jī)在寬范圍內(nèi)平滑地調(diào)速。端電壓加大使轉(zhuǎn)速升高，勵(lì)磁電流加大使轉(zhuǎn)速降低，二者配合得當(dāng)，可使電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。調(diào)速中應(yīng)注意高速運(yùn)行時(shí)，換向條件惡化，低速運(yùn)行時(shí)冷卻條件變壞，從而限制了電動(dòng)機(jī)的功率。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)由于它的機(jī)械特性(圖2)接近恒功率特性,低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，故廣泛用于電動(dòng)車輛牽引，在電車中常用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上既有串勵(lì)又有并勵(lì)的復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。利用串、并聯(lián)改接的方法使電機(jī)端電壓成倍地變化（串聯(lián)時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓只有并聯(lián)時(shí)的一半），從而可經(jīng)濟(jì)地獲得更大范圍的調(diào)速和減少起動(dòng)時(shí)的電能消耗。

控制結(jié)構(gòu)
直流無刷電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，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(dòng)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(dòng)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/220 V)，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(dòng)電機(jī)。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(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(dòng)時(shí)速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)變動(dòng)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
直流無刷電機(jī)的控制原理，要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，首先控制部就必須根據(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，inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，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(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號(hào)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(dòng)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。
基本上功率晶體管的開法可舉例如下：AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組，但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，控制部會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號(hào)變化的速度加以比對(duì)(或由軟件運(yùn)算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時(shí)間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由PWM來完成。PWM是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。
高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時(shí)間，另外對(duì)于hall-sensor信號(hào)變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動(dòng)則因?yàn)榛貍鞯膆all-sensor信號(hào)變化變得更慢，怎樣擷取信號(hào)方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要?；蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考，使信號(hào)分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號(hào)就等于是告訴控制部電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅(jiān)固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。

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