原创 电机世界之直流有刷电机(科普文)

2020-3-8 10:56 5234 21 3 分类: 模拟 文集: 科普文章

/ 最简模型 /

万事开头难,如果一上来就扔出一个复杂的电机,估计很多人就要打退堂鼓了。所以,我们要从最简单的模型入手,如下图:

简单来说,直流有刷电机主要由四部分组成:
1,定子(stator);
2,电枢(armature),也称转子;
3,换向环(commutator ring);
4,电刷(brush)。
从上图我们可以看到,左右两边的定子(stator)由永磁体构成,左边是N极,右边是S极。磁力线从N极出发,终止于S极。
电枢(armature),也就是转动部分的转子,是一个简单的线圈。
换向环(commutator ring),是电枢线圈与电刷的桥梁。主要作用是保证电枢线圈中电流的方向周期性改变。
电刷(brush),是和换向环通过接触的方式来给线圈供电的装置。因此,电刷一般都有比较好的弹性,保证与换向环接触良好。
当电源通过换向环给电枢线圈通电以后,线圈中就会有电流流过。由于电磁感应,线圈将会受到一个电磁力的作用,称作洛伦兹力。而这个力的方向,由下图中的红色箭头标示。蓝色箭头是线圈中电流的方向。

这时候图中的电枢线圈在洛伦兹力的作用下,开始逆时针转动。

当电枢线圈转过中间垂直位置到达另外一侧时,在换向环的作用下,线圈中电流的方向改变了(线圈的右边本来电流朝外,等它转到左边以后,电流变成了朝里),为什么要改变电流方向呢?

那是由于电流方向的改变,才能保证旋转过程中,线圈受到的力矩方向不变,从而让线圈保持朝同一个方向旋转。


/ 模型优化 /

上面这个电机结构模型看似已经能够正常工作了,但是还不够好!因为单线圈的电枢有个问题,那就是当线圈接近中间垂直位置的时候,它所受到的力矩几乎为零,如下图所示:

这就会导致电枢线圈初始位置在这个点时,电机根本无法启动。并且单线圈电机的运动平顺性较差。
那么该如何改进呢?答案是再加一个线圈,原来两瓣的换向环也变成四瓣,如下图:

这时候你会发现,当其中一个线圈在中间垂直位置的时候,另外一个线圈正好能通上电,并且处在力矩较大的位置。那么就能保证电枢的持续转动了。
聪明的你也许会想到,既然加了一个线圈能有这个好处,那我们再多加几个会不会更好呢?答案是肯定的。线圈越多,电机运行越平顺。
/ 实际电机电枢 /
实际的电机电枢如下图所示:

从上图可以看到,电枢线圈缠绕在一个有很多槽(slots)的铁芯上。这个线圈就不单纯是一根线了,而是很多根线缠绕在一起,我们把它形象地称作绕组
而中间的铁芯,是为了增加绕组的磁通量,一般使用一片片的矽钢片叠在一起。为什么是一片片的矽钢片叠在一起,而不是一整块?因为一整块的金属会产生一种叫“涡流”的讨厌鬼,把电能都消耗在发热上。
当然,涡流并不是一直都令人讨厌的。没有它,就不会有人见人爱的电磁炉火锅了。没错,电磁炉就是通过涡流加热锅的!
到此,你已经基本了解了直流有刷电机的工作原理。当孩子问你,马达为什么通电就能转起来的时候,你就能滔滔不绝地告诉他/她了。虽然他/她基本听不懂,但是不妨碍他/她用崇敬的眼神深情款款地望着你噢!

/ 这就结束了吗?/

人类的智慧是无穷的,本着“没有最好,只有更好”的原则。直流有刷电机当然还有可以优化的地方:我们可以用电磁铁来代替永磁体。如下图所示:

电磁铁不仅价格便宜,还可以对它进行控制,得到我们想要的励磁效果。
而根据定子电磁铁连接到电机电枢的接线方式的不同,产生了两种不同结构的电机:串励直流电机和并励直流电机。
1,串励直流电机
顾名思义,串励直流电机的定子励磁线圈与电枢的绕组是串联的关系,如下图所示:

这种结构的电机的特点是,启动扭矩很大。但是当负载比较重的时候,转速会急速下降。
2,并励直流电机
同理,并励直流电机的定子励磁线圈与电枢的绕组是并联的关系,如下图所示:

并励直流电机的特点是,启动扭矩较小。但是其“转速——扭矩”曲线相当理想。在负载改变的时候,它可以几乎保持一个恒定的转度运行,这是它最吸引人的地方。“转速——扭矩”曲线如下图:


/ 结语 /

以上就是直流有刷电机的简要介绍了。实际应用中还会有诸如转速传感器、控制器等辅助部件,这些都是为了让电机更好地为我们服务。
电机家族里还有很多其他成员,例如特斯拉发明的无刷交流感应电机(brushless alternating current induction motor),另外一个特斯拉(汽车)早期使用的三相交流感应电机(Triple-phase asynchronous motor),以及近期Model 3上使用的永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor),等等。如有机会我们将在后续的文章中再给大家科普。

如需文中配图的LearnENGINEERING DC Motor视频的小伙伴,请关注以下公众号【电子工程师的视角】并回复“有刷电机”获取。

备注:文章中部分内容及图片翻译自网站“LearnENGINEERING”,原作者Sabin Mathew。

作者: 信波波, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-1481316.html

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