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。

这两者之间的基本区别是电源,交流电源是交流电机的交流电源,直流电源是直流电机的电池。交流和直流电机都由定子和转子组成,定子是电机的固定部件,转子是电机的旋转部件或电枢。电动机的工作原理是基于定子产生的磁场和转子中流动的电流的相互作用,从而产生转速和转矩。

有不同种类的直流电机,它们都有相同的原则。DC电动机是一种机电致动器,用于产生具有可控旋转速度的连续运动。直流电机非常适用于需要速度控制和伺服型控制或定位的应用。

简单的直流电动机如下所示。

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。

电动机以电能为输入,并把它转换成机械能。

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。

如果磁场B的密度,导体L的长度和在导体I中流动的电流,则可以计算力的值。

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。

弗莱明左手法则如下图所示。

弗莱明的左手规则

图像资源链接:daido -electronics.co.jp/english/qa/magnet_lexicon/ha/images/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。

根据弗莱明左手法则,左手拇指代表力的方向,食指代表磁场的方向,中指代表电流的方向。

直流电机包括两组致电衔接绕组的线圈和现场绕组。现场绕组用于产生磁场。一组永磁体也可用于此目的。如果使用现场绕组,则它是电磁铁。现场绕组是电动机或定子的固定部分。电枢绕组是电动机的转子部分。转子放置在定子内部。转子或电枢通过机械换向器连接到外部电路。

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场中,具有B特斯拉的磁通密度。当通过将线圈连接到直流电源来提供直流电时,电流I流过线圈的长度。线圈中的电流与磁场相互作用,并且结果根据Lorenz力方程在线圈上的力施加。力与磁场的强度和导体中的电流成比例。

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。现场绕组的电阻和电感由r表示F和LF。由于电压,电流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=我F* RF

V.T.=我一种* R一种+ EB.

电机中产生的转矩为

T = k * I一种

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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刷直流电机

在这种类型的电动机中,通过通过转子内部的换向器和刷子通过电流产生磁场。因此,它们被称为拉丝电机。刷子由碳组成。这些可以是单独兴奋的或自我激励的电动机。

电机的定子部分由线圈组成,线圈以圆形的方式连接,从而形成所需的南北两极。这种线圈设置可以串联或并联转子线圈绕组形成串联绕线直流电机和并联绕线直流电机。直流电动机的电枢或转子部分由换向器组成,换向器本质上是一个在一端连接到电隔离的铜段的载流导体。当电枢旋转时,外部电源可通过电刷连接到换向器。

刷直流电机

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有刷直流电机类型

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。

自励式直流电机又分为三种类型:并联励磁、串联励磁和复合励磁。

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是对应于磁场电路的电压和电流和V.T.和我一种是电压和电流对应于电枢电路,然后总输入功率由V给出F*我F+ VT.*我一种

自我兴奋的电机

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:对于并联直流电机,励磁绕组和电枢绕组在同一电源上并联,因此励磁绕组暴露在整个端电压下。即使电源相同,励磁电流和电枢电流是不同的。并联直流电机的速度是恒定的,不随输出的机械负载而变化。

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

并联直流电机的等效电气如下图所示。

分流直流电机等效电路
分流直流电机等效电路

如果是B.然后是电机的后部EMF

V.T.= EB.+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

总电流是我T.=我F+我一种

因此,总幂是P = VT.*我T.

系列电机:直流电机串联时,励磁绕组和电枢绕组与电源串联。因此,励磁绕组和电枢绕组中的电流是相同的。

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。

无论电压源的极性如何,串联卷绕电机都将始终沿相同的方向旋转。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同时反转。DC电机的速度随机械负载而变化。

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

串联直流电动机的电气量值如下所示。

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。

如果分流场的通量有助于串联磁场的通量,即两者均呈相同的方向,则是累积复合直流电动机。在这种情况下,总磁通量是单个助熔剂的总和。

Φ总计=φ.系列分道

累积化合物直流电动机的结构处于下图。

累积复合直流电动机电路
累积复合直流电动机电路

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=φ.系列- φ.分道

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。

基于分流场绕组的分流,累积和差动化合物直流电动机都可以进一步分为长分流器和短分流装置。

如果是长分流电机的情况,则分流场绕组与电枢和串联绕组平行。

长分流
长分流

如果并联励磁绕组只与电枢平行,则为短路并联。

短分流
短分流

永磁直流电机: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。

永磁拉丝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/转矩特性比定子绕线式直流电动机更线性。

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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无刷直流电机

无刷直流电动机通常由永磁转子和线圈缠绕定子组成。通过在转子中使用永磁体的这种设计消除了转子部件中的刷子的需要。因此,与拉丝直流电动机相比,这些类型不含任何刷子,因此不会产生少量热量的磨损和刷刷。

BLDC.

图片资源链接: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

小型直流电机可以高速旋转,但其扭矩不足以移动任何负载。直流伺服电机由四部分组成:普通直流电机、速度控制齿轮箱、控制电路和位置传感单元。变速箱将采取高速输入和转换成一个较慢但更实际的速度。位置传感单元通常是一个电位器。控制电路是一个错误检测放大器。

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.在任一方面。直流伺服电机用于远程控制设备,机器人,即使在大型工业应用中。

直流伺服电机

图片资源链接: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,直流电机可以接通或断开。电机控制的最简单形式是使用双极结晶体管作为开关的线性控制。驱动电路的目的是控制绕组中的电流。电动机的速度可以通过改变晶体管中基极电流的大小来控制。如果晶体管处于有源状态,则电机以一半的速度旋转,因为只有一半的供电电压进入电机。当所有的电源电压进入电机时,电机以最大速度旋转。当晶体管处于饱和状态时就会发生这种情况。

以下电路用于在一个方向上驱动电动机。

UNI定向电动机驱动电路
UNI定向电动机驱动电路

在上述电路中,电阻器RB.和R1非常重要。电阻器R.B.用于保护控制电路免受电流尖峰的影响。电阻器R.1确保当输入引脚是三个时,晶体管已关闭。

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

按时的百分比被称为占空比。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,可以改变电机的转速。这被称为PWM(脉冲宽度调制)技术。速度也可以在不改变脉冲宽度的情况下改变。这是通过改变脉冲频率来实现的。这被称为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开关
DPDT开关

当开关位于位置A时,电机在向前方向旋转。当电动机的端子连接到位置B中的开关时,方向反转。

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

SPST开关
SPST开关

通过不同的开关组合,可以实现不同的功能。

组合及其各自的操作如下所示。

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桥直流电机驱动电路如下所示。

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。

电机状态及控制

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  - 桥接实施

H桥功能表

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L293D电机驱动IC

L293D集成电路是一种基于H桥概念的电机驱动集成电路。这种集成电路允许电机在两个方向上驱动。L293D IC是一个16引脚器件,有两组输入和输出。因此,可以用一个集成电路来控制两个直流电机。

L293D IC的销图如下。

L293D IC的销图引脚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 - 重新进展。

使用L293D电机驱动器IC控制两个电动机的电路如下所示。

L293D集成电路示意图电压电源VCC1用于内部操作,即激活信号或启用或禁用信号。为了驱动电机,电源VCC2被使用。一般VCC1 = 5V, VCC2 = 9或12v。

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下一个 - 声音传感器

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