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【希腾通用技术课堂】直流电机基本原理

来源:本站   发布时间: 2021-04-12 10:55:39   浏览:1384次  字号: [大] [中] [小] [收藏]
是的,我又来技术文章了,上一篇晦涩难懂的文章反响居然还不错,还有朋友表示这不就是高中的知识用大物的公式解释了一遍么?看来,我们的工程师们基础知识还是很扎实的,既然如此,今天咱们继续来硬核的,我已经有打算做成专题系列的打算了,就叫宅家低配版大学物理课堂吧。是的,我知道你们大概想看伺服电机,不,我们还是先来点开胃菜吧
 
1)引言
前一篇我们介绍了电磁的基本概念,通常来说,电机主要是由定子、转子和控制电路组成,定子固定不动,转子连接着电机轴,两端穿过定子上的轴承固定在定子中央。根据输入的电流性质,可以分成直流电机和交流电机,而交流电机根据旋转磁场与转速是否同步,又分为同步电机和异步电机,本文主要介绍直流电机的一些基本原理

2)机械结构
先上图


直流电机(Gleichstrommaschine)因输入电流为恒定直流电而得名,一般都是作为直流电动机(Gleichstrommotor),由于其使用直流电,可以用电池进行驱动,结构简单,体积小,造价低,在很多小型电器里面都有使用到,比如说如下童年的记忆


里面的电机有各种不同的版本,当年寻找一款合适的电机进行替换,使自己的“战车”获得更高的性能和速度可是小伙伴们永恒不懈的追求,现在还有工程师们举着帮孩子拼装的名义,补交一波童年的“学费”

 


不过,现在发现原来当年景仰的这个奥迪双钻原来最早是从山寨发家的,产品并没有获得原品牌的授权,简直是毁童年啊
扯远了扯远了,我们继续介绍直流电机


直流电机的定子上会有励磁绕组(Erregerwicklung),绕组的外形会进行一定的延伸,增加磁通面积。定子的设计上会尽量将励磁磁场限制在电机内部,使电机获得更高的磁效率。当然如果定子上使用永磁体,那就没有了励磁绕组,比如说上文我们提到的小电机的定子上就是使用的永磁体,或者磁铁,使电机的结构设计更简单一些

 

转子(Rotor)一般会用很多涂层过的硅钢片叠在一起,避免在旋转的时候出现较大的涡流,硅钢片上留有绕线用的槽,一般会缠绕很多线圈,这些导线一般是表面绝缘的铜线,均匀的绕上去,导线的两端需要通电产生电磁场,而转子需要转动起来,因此固定的导线连接必然是个不可取的方式,于是导线的两端就连接到转子一端的电环上,电环上是2个或者多个铜片,定子上有一个弹簧铜片或者碳刷会压在电环上,接通电流,当转子在旋转的时候,这个弹簧铜片就像一个刷子一样不停在电环上的不同铜片上刷过,因此这种直流电机就被称为有刷直流电机

后来还发展出无刷电机等其他技术,本文主要对有刷直流电机的结构原理进行介绍


3)运行原理
简单来说就是“同性相斥,异性相吸”
别想到别的地方去,我说的是磁铁的NS极
一段线圈通电之后就会在铁芯上产生一个磁极,这个磁极与定子上的磁铁或者励磁绕组的磁极产生吸引力和排斥力,推动转子不停转动
接下来又是我们喜闻乐见的部分了,我们又要开始上公式了
经常做题的小伙伴应该都知道,在做公式推演之前,咱们要先做一些合理的假设:
· 铁芯磁导率,也就是说,电机的钢铁部分的励磁可以忽略不计
· 气隙(定子与转子间的间隙)保持不变
· 气隙处的漏磁忽略不计

基于上述假设,磁通在一个确定的磁路里面运行,磁场线沿着气隙的垂直方向进出,气隙里面是一个磁通密度恒定的磁场环境,在不考虑换向器的情况下,根据上一篇我们讲到基础公式4,计算一条磁场线上的磁动势,有效磁路只包含两段气隙的长度

 


转子上的一段通电导体的电流为,起始夹角为,因为气隙中的磁通密度与导体互相垂直,在半径为的导体上受到的安培力和转矩

可见,转矩和角度有关,当为正,转矩为正,为负,转矩为负,因此当转子上只有一段线圈通电的时候,转矩会出现周期逆转的转矩,无法持续稳定运动,这个时候我们就需要换向器

如果我们需要电机匀速转动,角速度为,转子上的最大线速度为

转子在切割磁感线的时候,导体上会有感应电压

 

因此,导体上的感应电压和都与角度有关,为了让电机能够持续稳定工作,就需要让转子在转动的时候转矩始终为正,可以让始终保持同样的正负号,也就是换极,或者叫电流换向

换极可以在=0的地方执行,这样电压和电流都没有突变,最简单的办法可以用两个滑环和电刷组成一个换向器

电流换向之后,转矩虽然一直都是正值,但是在极缺口的地方还是会出现一定的空缺,转矩会有较大的波动,这样是无法获得稳定的转速的,如果想要输出更加连续稳定,那就需要在转子上均匀分布多组线圈,这也就是前面我们提到的转子上有多组绕组的原因

 



当转子上有3组绕组的时候,转矩波形就会如上图这样减小不少冲击,如果绕组和换向器数量更多,更密,那么转矩输出就会更平稳

当然,在实际使用中,并不会放很多个换向器,而是会把线圈进行首尾串联,如下图


黑色的电刷通入电流,从换向器的换向片1这里流入,经3流出,如果一个线圈上使用多匝,那么就可以获得更大的转矩和感应电压

 


4)极对数
今天好像讲的有点多了,最后再来介绍一下极对数
我们在购买电机的时候经常会有2极,4极,6极电机的选项


极对数描述了电机的定子或者转子上总共有多少对极对,在直流电机定子的励磁极上,如果极对数为p,那么总极数为2p,那么极距就是

 

其中D为电机定子直径,转子每转动一周,定子上的极对就要变化p次。极对数多的电机磁路更短,但是两极之间距离短了之后,会带来更多的漏磁,在高速电机上(f=p·n),会有更大的能量损耗在铁芯上,因此多极对数的电机并不适合高转速的电机,具体的计算分析我们会之后继续介绍

关于直流电机原理的介绍,今天就先讲到这儿,下一篇我们会继续介绍一些跟磁极,极对数相关的知识,欢迎大家继续参加我们的“低配版大学物理”课堂

 

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