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知识分享:​微型电机知识汇总


电机的种类


电机简单划分为:交流电机与直流电机,直流电机作为发电机使用时称之为直流发电机。微型直流电机可以通过改变直流电压来改变转速,应用场景非常多,这种控制转速方法极为简单,所以使用率是非常高的。


 


上图中,电流沿箭头方向流动,线圈上为S极,下为N极,根据异性相吸、同性相斥的原理,电枢逆时针转动,当电枢旋转90°时,磁极就会变换,即S极变成N极,N极变成S极,使电枢继续朝逆时针转动。



三相异步电机的工作原理


  


如上图所示,以时间相位互差120°的三相交流电,向空间相位互差120°的三相线圈通,0°时产生磁通量的方向如箭头所示,U相最大(设为1.0),V相和W相各为-0.5。60°时,W相为-1.0,U相和V相各为+0.5。


三相电流随着时间从0°渐渐变化为60°时,磁通量变化如图(d),顺时针方向旋转了60°。如此反复,磁通量顺时针旋转,便产生了旋转磁场。


另外,U相线圈、V相线圈、W相线圈按照顺时针方向排列,图(a)所示的U、V、W相应通电可产生顺时针转动的旋转磁场。如果按照逆时针方向排列,则可产生逆时针转动的旋转磁场。


也就是说,如果更改三相异步电动机三相线圈中两相的顺序,旋转磁场的转动方向也会随着改变。



同步电机与直流电机输出转矩的原理相似


同步电机与异步电机均随着旋转磁场而转动。同步电机的转子受到旋转磁场N极和S极的吸引而转动,其转速与旋转磁场相同。也就是说,同步电机转矩输出的原理与直流电机类似。



异步电机输出转矩的原理


鼠笼式线圈切割旋转磁场,鼠笼式线圈中通过电流,异步电机输出转矩。这种转矩输出的前提条件是通电鼠笼式线圈切割磁感线,而转子与旋转磁场同步转动时不存在磁感线切割,因此无法输出转矩。



直流电机的基本结构


磁体固定+线圈旋转+电刷:直流电机的输出转矩是由磁场(永磁体)磁通量与电枢电流间的电磁力作用产生。磁体位于定子上,线圈(电枢)则排布在转子上。电刷可使电流通过线圈,换向器则可保证转矩持续输出。



直流电机的类别


直流电机采用直流电源,通过励磁线圈(直流线圈)而非永磁体产生磁场。此种类型的电机大致分为三类:


1)他励电机:电枢线圈与励磁线圈分开供电;


2)并励电机:电枢线圈与励磁线圈并联,由同一电源供电;


3)串励电机:电枢线圈与励磁线圈串联,二者电流相同。




直流电机特性的基本公式


电机端子电压V:


V=E+RaIa


式中,E为反电动势;Ia为电枢电流;Ra为电枢线圈电抗与电刷接触电阻之和。另外,反电动势E和转矩τ的计算方法如下


E=K1nΦ


τ=K2ΦIa


式中,K1和K2为比例常数;n为转速;Φ为每极的磁通量(Wb)。由式(1)和式(2)可得出转速


n:n=(V−RaIa)/K1Φ


电机的机械功率


P(W):P=ωτ


式中,角速度ω=2πn(rad/s)



转矩和转速的关系


包含永磁式他励直流电机,纵轴表示电机转矩,横轴表示转速,控制电枢电流保持恒定,便如下图



这里提到的基底转速指的是,额定转矩下转速升高,电压一定,功率达到最大值的速度。达到基底转速前,可得到最大转矩。另外,电机的转速大于基底转速时,转矩随着转速上升而下降。



基底转速与转矩的关系


大于基底转速时,端子电压远远低于额定电压,接着在较弱磁场作用下,转速升高。永磁电机不容易形成弱磁场,仅有恒转矩驱动这一特性。磁通量一定时,转矩与电枢电流成比例关系。控制电枢电流便可控制转矩。磁通量减半,转矩也减半。,端子电压与电枢电流恒定时,转速变为2倍,电机功率是恒定的。



并励直流电机的基本特性


与他励电机相同并励电机与他励电机基本相同。设计控制电路时应避免励磁线圈和电枢线圈控制系统的相互干涉。



串励直流电机的基本特性


电枢电流=线圈电流


如下图所示,串励电机中励磁线圈与电枢线圈的电流相同,所以不能像他励或并励电机那样,独立控制各部分的线圈电流。图中表示的是串励电机转速与转矩的关系。串励电机只可控制一个电压,不同电压下的特征表现如图所示。




如何选择电机?


选择直流有刷电机电机和控制装置有分别购买和成套的情况,如果是分别获取的,推荐直流有刷电机。如果选用交流PM电机(永磁电机),或者异步电机,则需要另行制作或者购买逆变器。另外,控制方面还通常需要向量控制理论和电机常数方面的知识,要么有电子工程学的专业人员,要么有专业组织的援助,否则会格外困难。永磁直流电机没有励磁回路,只要单独控制电枢电流就能控制转矩,使用断路器或电阻控制电压,就能简单实现转矩控制。直流电机控制相对比较简单且入门难度低。


需要注意的电机规格:电机规格存在额定值和最大值,因此检查过电流承受能力和最大转速及最大电压尤为重要。在比赛中电流和电压在额定值以内的情况较少,并可能相当频繁地超过额定值使用,因此事前研究即使超过何种程度,电机和控制装置也不会损坏是非常重要的。直流电机的换向器不会发生闪络,只要机器不损坏,就能按照相当的速度和功率行驶。



使用励磁绕组电机的注意事项


励磁绕组电机尽管能够控制励磁绕组电流,但通常励磁电流的控制方式与永磁电机控制方式相同。不过,由于励磁绕组电流能够控制,增大励磁电流时,电机的反电动势会变大,能量会返回到电池里,因此可再生。另外,永磁直流电机的反电动势无法变大,所以实现再生需要使用再生断路器等。



使用串励电机时的注意事项


串励电机的控制系统跟永磁直流电机相同,由于其特性是启动转矩非常大,所以电机的加速性能优越。但是空转时非常危险,所以在进行电机单体测试需要注意。并且,它也像永磁直流电机一样,需要设计电路才能实现再生。

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