直流電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用

電機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，能夠?qū)⑵渌问降哪芰哭D(zhuǎn)換為電能，也能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能，在工業(yè)制造和民用電器領(lǐng)域，電機(jī)都是不可缺少的重要設(shè)備。

自從400年前，法拉第發(fā)明了第一臺使用電流驅(qū)動的機(jī)械設(shè)備開始，電機(jī)就成為工業(yè)發(fā)明創(chuàng)造的寵兒，安迪生和特斯拉分別在直流和交流領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，推動了電能的采集和應(yīng)用。

經(jīng)過幾代工程師的辛勤努力，電機(jī)已經(jīng)發(fā)展出三大系列，即直流電機(jī)、交流異步電機(jī)和交流同步電機(jī)。從這三大類出發(fā)，又衍生出伺服電機(jī)、測速電機(jī)等專門用于精細(xì)控制的設(shè)備，為工業(yè)控制發(fā)展提供了可行性保障。

直流電機(jī)作為電機(jī)的雛形，利用通電導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生力的作用原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，當(dāng)通電導(dǎo)體置于磁場當(dāng)中，導(dǎo)體就會受到力的作用而產(chǎn)生力矩發(fā)生位移，其運(yùn)動方向可以通過左手定則進(jìn)行判斷。

如果將導(dǎo)體制成閉合回路置于磁場中，并且適時改變導(dǎo)體內(nèi)電流方向，那么這個導(dǎo)體環(huán)就會在磁場中旋轉(zhuǎn)起來。直流電機(jī)的整流子就是實(shí)現(xiàn)電流變向的部件。

直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換具有可逆性，當(dāng)導(dǎo)體在磁場中垂直于磁力線運(yùn)動時，會在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的方向可以由右手定則進(jìn)行判斷。

當(dāng)導(dǎo)體形成閉合回路時，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這就是直流發(fā)電機(jī)的基本原理。

一臺直流電機(jī)在擁有勵磁的情況下，可以從發(fā)電機(jī)向電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。吸收電能便會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩成為電動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，而被動旋轉(zhuǎn)便會產(chǎn)生電流成為發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。直流電機(jī)的這一特性也讓它在很長一段歷史內(nèi)主導(dǎo)了能源和應(yīng)用領(lǐng)域。

我們把電機(jī)分為直流電機(jī)與交流電機(jī)兩類，即直流電機(jī)通過直流電機(jī)驅(qū)動;交流電機(jī)通過交流電機(jī)驅(qū)動，下面天孚微電機(jī)對這兩種類型電機(jī)的結(jié)構(gòu)、調(diào)速方式及特點(diǎn)來詳細(xì)講解。

1. 直流電機(jī)

1)有刷直流電機(jī)

①直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子上有銅線繞組;

定子：使用永磁或電磁，勵磁方式有串勵、并勵、他勵、復(fù)勵。

②啟動

直流電機(jī)只要通入直流電就能轉(zhuǎn)動。

③換向方式

永磁直流電機(jī)通過換向器與電刷的摩擦接觸，改變定子或轉(zhuǎn)子電流的方向。

④調(diào)速方式

直流電機(jī)的調(diào)速方法是所有電機(jī)中，非常簡單的，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的電壓就可以調(diào)速，如需要精準(zhǔn)調(diào)速增加編碼器即可。

⑤優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

有刷直流電機(jī)在于啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)，不過由于在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有換向器，在運(yùn)轉(zhuǎn)時會和電刷不斷的摩擦，所以使用壽命較磁短，像一些高壽命的應(yīng)用，有刷直流電機(jī)是無法滿足的，大點(diǎn)的有刷直流電機(jī)還需要定期的維護(hù)/更換碳刷，維護(hù)工作量太大。

2)無刷直流電機(jī)

①直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子：永磁結(jié)構(gòu)

定子：繞組、霍爾傳感器

②啟動

驅(qū)動器EN接地打開

③換向方式

電子換向，無刷直流電機(jī)沒有電刷和換向器，通過霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向，這也是無刷直流電機(jī)名稱的由來。

④調(diào)速控制方式

常見的是以6個MOSFET搭配成全橋電路，并以控制電路、驅(qū)動電路組合。硬件方面概況起來，主要包含以下幾個版塊：全橋驅(qū)動電路、霍爾反饋電路、電流采樣電路等。軟件實(shí)現(xiàn)上，可以使用方波、或者正弦波(PMSM)方式控制。

⑤優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速高、使用壽命也極長，幾乎有刷直流電機(jī)的缺點(diǎn)無刷直流電機(jī)都補(bǔ)全了，但是無刷直流電機(jī)的成本高、控制調(diào)速比較復(fù)雜，所以除非是有刷直流電機(jī)參數(shù)無法滿足，一般用是的還是有刷電機(jī)。

從兒時的四驅(qū)車到四旋翼無人機(jī)，從兩輪電動自行車到高速列車，從客廳的空調(diào)到廚房的抽煙機(jī)，從媽媽的吹風(fēng)機(jī)到爸爸的剃須刀，似乎我們的平日所見能動的東西大多都聯(lián)系一個共同的東西——電機(jī)。

直流電機(jī)加電后可以自行啟動，并不需要專門的啟動策略和裝置。對于永磁同步、直流無刷、單相異步等電機(jī)來說啟動就不是那么容易的一件事情了。

當(dāng)然啟動電流大的情況仍然存在，因?yàn)閱与A段電機(jī)速度較低電樞繞組的反電動勢較小因此直流電機(jī)盡管可以自啟動但是仍然存在啟動電流沖擊的問題(啟動沖擊電流最大可能超過額定電流的10倍)，進(jìn)而造成電刷換向火花增大及對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。對于小功率電機(jī)(通常認(rèn)為3千瓦時一個門檻)、啟動并非特別頻繁的情況來說這些問題并不需要特別在意。

對于功率通常情況下采用限流電阻或者降壓啟動的方式實(shí)現(xiàn)啟動，但是如果是帶載啟動的話為了保證啟動轉(zhuǎn)矩電阻值需要隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速提高而減小，或者電源電壓隨著轉(zhuǎn)速提高而增加，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后限流電阻需要及時退出電源電壓升至額定電壓，這樣才能夠保證整個啟動過程的電磁轉(zhuǎn)矩。

針對直流電機(jī)調(diào)速內(nèi)容較多后面會單獨(dú)篇幅進(jìn)行講解，這里只需要知道:

(1)降低電源電壓會使直流電機(jī)速度變慢，這就是為什么小時候四驅(qū)車新電池的情況下跑的快的原因，也就是我們常說的新電池勁大。家理電風(fēng)扇調(diào)速大多也是這種方式.

(2)串電阻調(diào)速同樣會使電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，方式最為簡單但是會使系統(tǒng)效率降低，幾乎不用。

(3)對于電勵磁的直流電機(jī)減小電樞繞組的磁通也可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)(弱磁調(diào)速)，通常來講弱磁控制會使直流電機(jī)的電機(jī)速度變快，這也就是弱磁升速說法的由來。