有刷直流電機的結(jié)構(gòu)與原理

這是無刷電機技術(shù)手冊系列的第2部分，它解釋了有刷電機的結(jié)構(gòu)和工作原理以供比較。接下來我們將解釋無刷電機。

在講解無刷電機的工作原理之前，我們先介紹一下無刷電機的前身——直流電機的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動原理。DC電機是direct-current motor的簡稱，顧名思義就是施加直流電壓旋轉(zhuǎn)的電機。

有刷直流電機結(jié)構(gòu)與原理

2.1 直流電機結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動原理

2.1.1 有刷直流電機結(jié)構(gòu)

直流(有刷)電機的一般結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。

永磁體位于定子內(nèi)，位于定子中心的是包含繞組的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子包含數(shù)個繞組，兩端與換向器相連。電流通過與電刷接觸的換向器流過繞組。該結(jié)構(gòu)是這樣的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)切換換向器片與電刷接觸，并且電流流過的繞組也依次切換，從而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

2.1.2 有刷直流電機轉(zhuǎn)動原理

現(xiàn)在，我們將使用圖 2.2 中所示的弗萊明左手法則

和圖 2.3 中所示的簡化模型來解釋直流電動機的旋轉(zhuǎn)原理。

使電流流過放置在磁場中的導(dǎo)體會使導(dǎo)體受到力(電磁力)。根據(jù)弗萊明左手法則，磁場、電流和電磁力的方向相互正交。這種情況下產(chǎn)生的電磁力與磁場強度、磁導(dǎo)率和電流值成正比。

磁導(dǎo)率μ是表示物質(zhì)被磁化難易程度的系數(shù)，磁場強度H與磁導(dǎo)率μ的乘積稱為磁通密度B。

在圖 2.3 所示的簡化模型中，一對永磁體的北極和南極相互面對。單個線圈繞組位于永磁體之間，該結(jié)構(gòu)允許它繞點劃線自由旋轉(zhuǎn)。線圈的兩端連接到與電刷接觸的換向器。電刷連接到直流電源，電流從正極提供，通過線圈返回

負極。

為了解釋電機的旋轉(zhuǎn)原理，我們假設(shè)圖 2.3 中所示繞組的方向是初始點(0°)。

1、電流i流經(jīng)電刷和換向器到達磁場內(nèi)的線圈

。

2、根據(jù)弗萊明左手定則，電磁力F在北極側(cè)的導(dǎo)體中向上運動，在南極側(cè)的導(dǎo)體中向下運動，線圈順時針旋轉(zhuǎn)。

3、當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)接近90°時，如圖2.4所示，換向器與電刷不再接觸，電流無法流動。雖然電流可能不流動，但線圈會通過慣性力旋轉(zhuǎn)。

4、當(dāng)線圈靠慣性力轉(zhuǎn)動時，換向器與電刷再次接觸，使電流流動，產(chǎn)生電磁力。當(dāng)它旋轉(zhuǎn)到圖 2.5 所示的 180°位置時，它進入與圖 2.3 所示相同的狀態(tài)。

如上所述，電刷和與其接觸的換向片交換位置，從而改變流過線圈的電流方向，從而在線圈中產(chǎn)生沿一個方向移動的電磁力。這允許直流電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變流過線圈的電流方向的行為稱為換向。

提示：電機扭矩

導(dǎo)體中產(chǎn)生的電磁力F、磁通密度B和電流 i 之間存在如下關(guān)系。

F = i B l (2.1)

l：導(dǎo)體穿過磁場的長度

另外，假設(shè)旋轉(zhuǎn)軸中心到導(dǎo)體的距離為r，因為線圈可以看作是2個導(dǎo)體，所以作用在旋轉(zhuǎn)軸上的力矩T為：

T = 2 F r (2.2)

根據(jù)公式(2.1)和公式(2.2)，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可由下式計算。

T = 2 i B lr

= Kt i (2.3)

Kt：扭矩常數(shù)

扭矩常數(shù)Kt是電機固有的值。由式(2.3)可知，直流電機的轉(zhuǎn)矩與電流成正比。

2.1.3 有刷直流電機特性

直流電機的速度-轉(zhuǎn)矩特性如圖 2.6 所示。在無負載狀態(tài)(軸上沒有負載)下達到最高速度，并且隨著負載扭矩的增加，轉(zhuǎn)速

降低。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為零時(軸處于固定狀態(tài))，

產(chǎn)生失速轉(zhuǎn)矩。

這種向右下傾斜的特性稱為傾斜特性。在實際使用直流電機時

，這種特性會導(dǎo)致在負載扭矩和電機輸出扭矩處于平衡狀態(tài)時發(fā)生旋轉(zhuǎn)。例如，如果以電壓V1施加負載轉(zhuǎn)矩TL，則轉(zhuǎn)速為N1。

另外，如式(2.3)所示，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與電流成正比。因此，隨著外加電壓從V1→V2→V3的增加，電機電流增加，速度-轉(zhuǎn)矩特性發(fā)生變化。如果施加的電壓從 V1 變?yōu)?V2 再到 V3，在恒定的負載轉(zhuǎn)矩 TL 下，轉(zhuǎn)速將從 N1 變?yōu)?N2 然后變?yōu)?N3。如果外加電壓為V1，負載轉(zhuǎn)矩從T1增加到T2或T3，電機將停止，但如果外加電壓從V1變?yōu)閂2或V3，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變?yōu)門2或T3，為此原因是電機可以在 Ns 的恒定轉(zhuǎn)速下運行。

2.1.4 有刷直流電機特點

有刷直流電動機的特點如下所示。

優(yōu)點

有 2 根導(dǎo)線，施加直流電壓即可旋轉(zhuǎn)。

反轉(zhuǎn)電源的極性會反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向。

由于使用了永磁體，直流電機結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕且效率高。

起動力矩大，可控性好。

扭矩與電壓(電流)成正比。

可以用干電池和電池操作。

低成本

缺點

電刷磨損會縮短使用壽命。