直流電機的特性和種類.doc

直流電機的特性和種類2、 前面一章敘述的是由永久磁鐵作定子、鐵芯線圈作轉子、帶電刷的直流電動機的工作原理。通常稱為“永磁式有刷”直流電動機。長期以來，這種電動機一直在被廣泛地應用著。 除了永磁式有刷直流電動機外，還有其他幾種直流電動機。一種是有永久磁鐵和電刷，但其轉子沒有鐵芯，稱為“無鐵芯”直流電動機；另一種是定子采用電磁線圈代替永久磁鐵稱為“電磁式有刷”(繞線式)直流電動機，這種電動機的轉子同定子一樣，都采用鐵芯線圈產(chǎn)生工作磁場。 繞線式電動機有三種形式。定、轉子線圈串聯(lián)連接的稱為“串勵”電動機；并聯(lián)連接的稱為“并勵”電動機；定子線圈一分兩路，一路與轉子串聯(lián)連接，另一路與轉子并聯(lián)連接的稱為“復勵”電動機。 還有沒有整流子和電刷的，根據(jù)電子切換原理控制定子電流的電動機稱為“無刷”直流電動機；不連續(xù)旋轉，而是以某一角度間歇轉動的電動機稱為“步進”電動機；不是旋轉而是作直線運動的電動機稱為“直線”電動機。其中，無刷電動機和步進電動機雖然可劃分在直流電動機范疇，但是只給它們提供直流電源是不夠的，還必須給它們配置類似于交流伺服電動機的電子開關電路。 為了說明電動機的原理，通常都是從永磁式有刷直流電動機的特性說起。 “輸入電流和轉矩成正比”是最基本的特性之一。電動機的轉矩也就是旋轉力矩來源于放置在磁場中的轉子線圈所受的“電磁力”(參見第34頁)。這個電磁力與磁場強度的強弱和流過線圈的電流的大小成正比。定子采用永久磁鐵的電動機磁場強度一定，所以它的電磁力的大小只與電流的大小有關。也可以說電動機的輸出轉矩與轉子電流成正比。 如果把上述轉矩和電流的關系描繪成曲線，就會發(fā)現(xiàn)它是一條直線，通常還稱為“線性”特性。通過這條曲線可以看出，轉矩和電流始；終是沿著那條斜線變化。不管在曲線上哪一點，只要電流變化，轉矩：就會跟著變化。 “轉矩和轉速成反比是電動機的另一特性。電風扇和玩具車等，都是電動機驅動的機械負載。電動機不接負載的旋轉稱為“空載旋轉”。這個狀態(tài)下的轉速稱為“空載轉速、電流稱為“空載電流。電動機從空載狀態(tài)開始旋轉：負載逐漸加大。右邊圖形就描述了這種狀態(tài)下負載與轉速的關系曲線。 這也是一條反傾斜直線，通常稱轉矩一轉速特性為反比例特性。當施加在電動機的電壓變化時，曲線也隨之做上下平移。轉矩一電流、轉矩一轉速、轉速一電壓等特性曲線都是直線，所以使得電動機的控制變得更為簡單。尤其是有了電流控制，使得電動機在啟停時，都可以按所需要的加、減速任意設置了。 永磁式電動機由于定子使用的是磁鐵，與繞線式電動機相比，它不需要另外增加產(chǎn)生磁場的電能；同時，轉子又采用高磁通密度的鐵芯，所以效率高是它的一個特點。另外，使用整流子和電刷結構，可以不使用特殊的電子線路。這些都是它的優(yōu)點。 當然，使用這些結構亦有它的缺點。由于整流子和電刷的機械接觸，隨著電動機轉速的增加，勢必產(chǎn)生噪聲，這將限制了轉子的高速旋轉；由于磨損需要定期更換電刷和定期維護，這勢必會減少它的使用壽命(參見第22頁)；又由于電感線圈的存在，產(chǎn)生電氣噪聲等都是它轉子采用硅鋼片疊片鐵芯，其重量加大了轉子的轉動慣性。更重要的是轉子鐵芯和線圈之間，相對定子磁極的間隙隨著轉子的位置不同，對磁通的影響也不同。因為磁通總是避開間隙較大的地方而是沿著間隙較小、導磁率較高的地方流過，所以轉動中就有可能發(fā)生轉矩為零的死區(qū)。高速旋轉時還不會出現(xiàn)什么問題，低速旋轉時就有可能產(chǎn)生時快時慢，用術語來說是“齒槽效應。為了減小這種齒槽效應，人們下了很多工夫，比如增加轉子極數(shù)、將轉子鐵芯形狀做成扇形等。 綜合考慮上述各種優(yōu)缺點，永磁式有刷直流電動機是一種容易推廣使用的電動機。事實證明，很多產(chǎn)品的動作都是采用這種電動機驅動的。所以，我們僅僅了解產(chǎn)品目錄上標定的“額定電壓”、“空載轉速”、“最大轉矩”是不夠的，了解電動機的性能非常重要。 為了增加有刷直流電動機的磁力，通常在線圈中插入鐵芯(芯)，但也有其缺點。還有一種轉子線圈不插鐵芯的電動機，稱為“無鐵芯”電動機。 無鐵芯電動機的轉子線圈是由導線繞制而成的，分圓筒型和平板型。圓筒型線圈的電動機稱為圓筒電動機、扁平線圈的電動機稱為平板型電動機。圓筒電動機的定子永久磁鐵安裝在圓筒線圈的內(nèi)側，平板型電動機定子磁鐵固定在圓盤上。因為扁平線圈的繞制方法不同，使得它有別于“印制”型電動機和“薄片線圈型電動機。 電動機不安裝轉子鐵芯，使得慣性質(zhì)量減小了；還可以減小由于鐵芯外形引起的齒槽效應轉矩。這是機械特性上的優(yōu)勢。另外，不安裝鐵芯，磁通量通過鐵芯產(chǎn)生的渦流也不存在了，這就使得電氣效率更高了。電動機的電感量小，整流時產(chǎn)生的火花也可以減少，這是電氣特長。圓筒型電動機的轉軸直徑可以做得很小，大概可以做到幾司米以內(nèi)。這樣，可以減小電動機的長度，使得制造超薄型扁平電動機成為可能。這將推動多種小型電動機的發(fā)展。 根據(jù)這些特性，雖然輸出轉矩不能太大，但是它的高速響應是極有使用價值的。無鐵芯電動機有著優(yōu)良的控制性能多用在小轉矩輸出的伺服控制系統(tǒng)上。 安裝在火星探測器上，探測火星地面的機器人存儲器，就使用MAXON公司的圓筒型無鐵芯電動機。錄制和播放音樂等需要高精度轉速的小型計算機設備的驅動電動機，多使用平板型無鐵芯電動機譽最近，隨著便攜式計算機設備的出現(xiàn)，使得超薄扁平型無刷無鐵芯電動機的應用范圍更寬了。 并勵電動機 定子磁場以電磁鐵代替永久磁鐵，由這種定子組成的電動機稱為“繞線式有刷”直流電動機。又因為定子線圈與轉子線圈是并聯(lián)連接的，所以稱為“并勵式”電動機。 因為是并聯(lián)連接，所以定子和轉子線圈可以分別由不同的電源供電。在電氣線路上，電源與定子構成一個回路、電源與轉子構成另外一個回路，這樣就可以采用兩個彼此獨立的電源，避免兩個通電線圈之間的相互影響。 定子線圈與電源接通時，產(chǎn)生的磁場強度與通入它的電流大小成正比，當流入并勵線圈的電流恒定時，產(chǎn)生的磁場強度也恒定。 永磁式電動機的定子磁場是由磁鐵產(chǎn)生的，所以它的磁場強度也是恒定的。又因為大家都使用同一結構的轉子，所以并勵電動機的轉矩一電流特性和轉矩一轉速特性與永磁式直流電動機有相同的線性特性。 與永磁式直流電動機相比，定子不使用高價格的永久磁鐵，成本可以減少。永久磁鐵不容易制作，尤其是需要使用磁場強度很大的大型直流電動機。而制造高強度電磁鐵就容易得多了。這是它的優(yōu)點。但是，電磁鐵需要消耗額外的電流，使得效率有所降低。 定子和轉子的磁極方向是隨著電流方向的改變而同時改變的，所以改變電源的正負極接線并不能改變電動機的轉向的。轉子線圈與定子電磁鐵并聯(lián)連接 “串勵”電動機不同于并勵電動機，它的定子和轉子線圈是串聯(lián)連接的，所以稱為串勵有刷直流電動機。電氣接線是從電源的一端起，通過定子線圈，然后再通過轉子電刷整流子，最后回到電源的另一端，形成一個回路。它的特點是定子與轉子為同一電流。 串勵直流電動機的電流增加時，定子和轉子磁場同時增加。轉矩一電流特性為口杯形，也就是說轉矩與電流的平方成正比。這與磁場恒定的電動機相比，它的轉矩增加的幅度可以很大，適合于大轉矩輸出的電動機。另外，它還有空載轉速高的特性。 串勵電動機與并勵電動機一樣，不能通過改變電源的正負接線而改變電動機的轉向。從電流的角度看，改變電流方向時，由于定子和轉子磁場同時改變方向，而磁場與電流的方向關系并沒有改變，所以旋轉方向也不能改變。 如果把定子勵磁線圈分成兩部分，一部分與轉子線圈并聯(lián)，另一部分與定子線圈串聯(lián)，就構成了“復勵電動機”。因為這種電動機的結構可以分解成并勵和串勵結構，所以它的特性也恰巧在兩者之間。 對于直流電動機來說整流子和電刷是不可缺少的，但它有弱點?，F(xiàn)在，通過電子開關線路取代機械接觸式切換線圈電流的通斷，從而產(chǎn)生了無刷電動機。在結構配置上，無刷電動機既沒有整流子和電刷，在定轉子的磁場構成上也與有刷電動機截然不同。無刷電動機的定子是由三組(也稱“三相”)線圈組成的，其中每一相又是由在空間上相對的兩個線圈組成。裝配線圈時應確保三相線圈在定子上均勻分布，并使它的各邊都能依次以不同的角度切割轉子。當通入定子線圈的電流依次切換時，它的磁場就會按轉子旋轉方向旋轉(所以稱為“旋轉磁場”)，同時驅動永久磁鐵轉子旋轉。 實現(xiàn)上述功能的必要條件就定轉子的磁極位置與定子電流切換的控制要配合好，所以必須檢測轉子磁極的位置。一般使用霍爾元件作為磁極檢測器。 無刷電動機不會產(chǎn)生由于電刷和整流子的機械接觸而形成的磨損和火花，因而壽命長，適合于高速旋轉。但是啟動時必須有單獨的電源，還需電子開關線路的配合。最近，已經(jīng)研制出了一種可以取消磁極檢測器的電子線路。使得無刷電動機的結構變的更為簡單了。 作為直流電動機的進化產(chǎn)品，從構造上無刷電動機已經(jīng)可以與交流同步電動機等同對待。事實上，這種無刷電動機已經(jīng)在以“交流伺服電動機”控制的伺服控制領域嶄露頭腳。還有VTR汽缸、收錄機的磁帶行走機構、CD播放機驅動機構等，既要求高速度旋轉又要耐久性使用，還有需要高精度高轉速的定位控制的機器人、NC工作機構的驅動機構等，使用這種電動機都十分適合。 “步進”電動機與普通連續(xù)旋轉的電動機不同，它是按定位要求發(fā)出脈沖指令，驅動電動機旋轉的。從轉動原理上看，由于這種旋轉不需要切換轉子電流，所以定子與轉子磁極間的作用力是穩(wěn)定的。這也是它不能連續(xù)旋轉的原因。 右邊圖形描述的是永磁式(permanent masnet)步進電動機的工作原理。它的結構與無刷電動機相同，定子采用線圈磁場，轉子則采用永久磁鐵磁場。定子線圈平面與轉軸平行，其中總有1組稱為“相”的線圈在通電工作。這種電動機是按定子相線圈的個數(shù)命名的，5相就稱為五相步進電動機。 對于步進電動機，當通入定子電流的相線圈產(chǎn)生的磁極與轉子磁極相互吸引時，電動機處于穩(wěn)定狀態(tài)。這一點與無刷電動機相同。如果依次切換定子通電相線圈，當然切換應該是在轉子磁極轉到與定子通電相線圈的磁極正好相互吸引的位置，就能形成按相角之差的定位動作。 控制定子載流相的切換需要電子線路。通過這個回路產(chǎn)生“脈沖信號”，完成定子載流相的切換驅動電動機轉動。 這種電動機的動作恰巧與刻度鐘表的秒針相類似，都是依據(jù)動力定位原理。 除了永磁式步進電動機，實用中還有磁阻式和混合式步進電動機。后兩種與永磁式相比，有著更小的相角差。它們都是利用定子和轉子上的“齒槽”的位置關系控制電動機轉動，以便完成更精確的定位控制。 磁阻式(Variable reluctance)步進電動機的轉子采用鐵磁性體，在定子磁鐵的磁化作用下產(chǎn)生磁性。 這種電動機的圓筒形轉子的外緣和定子的前端都分別加工一定數(shù)量的齒槽。當定子產(chǎn)生的磁極吸引轉子的磁極時，轉子發(fā)生轉動。當轉到兩齒槽頂對頂?shù)奈恢脮r，轉子就停止轉動。因為這時的磁路間隙(空氣隙)最小，磁通量集中，產(chǎn)生的電磁吸力最大，所以這是一個相對穩(wěn)定的位置。 在制作結構上使轉子上的齒槽頂正好與下一個定子載流相的齒槽頂?shù)?2處相對應。過了平衡位置，定子載流相也切換到這一定子相線圈上。轉子因受到定子的吸引力而向前轉動12齒槽，再一次處于平衡狀態(tài)。依次進行下去，每改變一次定子載流相，轉子就轉動12齒槽。 磁阻型步進電動機的轉子直徑可以做得很小，這樣它的慣性轉矩就小。這一點對于執(zhí)行控制指令，就可以顯示出高速響應的特性。但是因為轉子磁極是通過定子磁化而來的，效率低是它的缺點。最近已不怎么使用了。 隨之而來就產(chǎn)生了混合式(hybrid)步進電動機。它是根據(jù)磁阻型的齒形結構進行小角度控制，又因為轉子使用了永久磁鐵，所以比磁阻型的效率要高。轉子分N極轉子和S極轉子，是由一塊永久磁鐵將一個高磁性體一分為二形成的。兩個轉子的外緣也都加工許多小齒槽，同時它們的齒槽又都依次相差12齒。 定子也要加工相應的齒槽。通電時不同極性的兩個轉子的齒槽頂相互吸引，同極性的相互排斥。由于位移量是由齒頂和齒根的相對位置確定的，所以可以完成更精確的位移量控制。 一般情況下電動機的旋轉速度都很高。但是作為動力驅動時，多數(shù)都采用齒輪箱減速機構(參見第40頁)。如果把減速機構與電動機組合成一體，就是我們要講的“齒輪”電動機了。 齒輪電動機需要合理的機械設計，包括適合轉矩與轉速配合的齒輪組計算、轉矩的計算以及齒輪的負載強度計算等。這樣就可以省去減速機構的設計環(huán)節(jié)了。 齒輪電動機多采用直齒輪和行星齒輪機構。為了使它應用得更加廣泛，必須事先準備好多種減速比和尺寸的齒輪機構。 直齒輪組合型齒輪傳動的作用力方向與電動機軸垂直。當機械需要大力矩輸出時，施加在電動機上的徑向作用力就得相應地增加更多，這時容易發(fā)生電動機振動，減少它的使用壽命。 行星齒輪機構是一種輸出軸與電動機軸在同一直線上的減速機構。它是由多個齒輪互相咬合形成的。咬合的齒數(shù)越多，它傳動作用力的效率就越高，同時多段組合起來還容易獲得較大的減速比。另外，因為施加在電動機上的徑向作用力幾乎為零，所以電動機不需要多余的抗彎力。 還有一種齒輪電動機，因為使用的是蝸輪蝸桿機構，所以只用1段組合就能獲得較大的減速比。又因為它的輸出力矩與電動機軸垂直，所以很適合作汽車里的雨刷和自動窗電動機。另外，還有一種齒條齒輪型直線電動機。汽車內(nèi)控制換氣操作手柄動作的電動機就屬于這一類。 需要低速輸出時，如果使用一般的電動機就有可能出現(xiàn)轉矩不足或齒槽效應(參見第58頁)等不利于電動機穩(wěn)定輸出的現(xiàn)象。這里，介紹一種把幾個齒輪組合起來形成電動機的減速機構。但是每多使用一個齒輪，傳動的機械能就要相應地減少一部分，影響電動機的使用效率；還有，齒輪咬合時必然會產(chǎn)生機械噪聲，齒輪的個數(shù)增多也會使電動機的重量變得很大。 作為開發(fā)產(chǎn)品，“直接傳動”式電動機已經(jīng)問世。這種電動機不需要減速齒輪就可能獲得大的轉矩輸出，并具有低速穩(wěn)定性能。它的旋轉原理與無刷電動機大體相同，但是為了適合低速旋轉，在結構上它的定子增加了更多的磁極數(shù)，從十極開始，甚至超過了二十極；為了獲得大轉矩輸出，電動機的轉子做成大直徑扁平形、定子裝配在大直徑轉子內(nèi)部，這一點與普通的電動機的裝配方式正好相反。 直接傳動式電動機沒有齒輪，它的整個裝配部件的數(shù)量也都較少。由于裝配緊湊，它有高效率、沒有噪聲、它的機械故障也少。最近洗衣機等家用電器都在使用這種電動機。 使用無齒輪直接傳動式電動機還有一個理由，那就是精密儀器要求電動機的傳動無誤差。齒輪在咬合中必然會有間隙，那么產(chǎn)生機械摩擦的“嘎嗒聲”就不可避免了；如果齒輪咬合中一點間隙都沒有，電動機就轉不了。為了使電動機能平滑地旋轉，把間隙限制到最小是完全必要的。但是精密儀器對間隙的要求，恐怕要影響到電動機的正常旋轉了。所以，要求高精度旋轉時，只能使用直接傳動式電動機，而不能使用齒輪電動機。 直接傳動式電動機除了適用低轉速一高轉矩情況，它還適用于那些對轉速精度要求較高的場合。因為它同時具有高轉速一低轉矩特性，而不用改變電動機的基本結構。這樣電動機的尺寸就可以作得很小。 計算機用的磁盤驅動器和光驅傳動電動機、VTR磁頭轉動電動機等都使用這種直接傳動式電動機。能正確完成定位和速度控制的機器人使用這種電動機的例子也有。 手機(移動)電話接受信號時，為了不對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，通過振動功能向攜帶者傳遞信號到達的信息。移動電話具有的這種振動功能主要是由小型直流電動機完成的。 普通電動機為了確保旋轉的平滑性，在轉弓等旋轉裝置的裝配過程中，對于它們重心的平衡有著嚴格的要求。即使高速旋轉也不會產(chǎn)生多大振動。如果使旋轉裝置偏離平衡位置，在重心不穩(wěn)定的狀態(tài)下旋動就有可能產(chǎn)生振動。所以，人為地改變電動機的裝配重心，便可以得到所需要的振動功能。 具有振動功能的電動機，如果把它的轉動軸裝配成圖中描述的那個樣子，就可以使它們的重心偏移。電動機在這種狀態(tài)下旋轉時，因為重心偏離轉軸，振動就產(chǎn)生了。移動，電話的振動功能就是把電動機的振動傳送到電話外殼而使人們感知從而得知信息的到達。移動電話上使用的是長約10mm、直徑在5mm以下超小型電動機。這其中還可以作成有直徑為3mm的電動機。 同樣，電動牙刷也采用了重心偏離產(chǎn)生振動的原理。把電動機的振動傳遞到牙刷，引起牙刷的往復動作。 手動刷牙的往復頻率，即使是大人也不過在每分鐘80下以內(nèi)，而電動牙刷所產(chǎn)生的振動頻率能達到每分鐘3 0007 000下。所以，使用電動牙刷就可以在很短的時間內(nèi)把牙齒刷得干干凈凈。 除了重心偏離的旋轉能產(chǎn)生振動以外，還有另外一種振動器。它的原理是通過彈簧和磁鐵沿重力方向作往復運動產(chǎn)生振動。 一般情況下，電動機是以旋動的形式提供動力的。但是，還有一種在平面上任意做直線運動的電動機。 廣義上把做直線運動的電動機稱為“直線”電動機。如果將產(chǎn)生磁場的線圈沿直線方向排列并按順序依次切換線圈電流的通入，然后再在它的上面裝設能夠往復運動的永久磁鐵或高磁性體，就可以構成直線電動機了。簡單地說，把一個無刷電動機的定子沿直線展開就形成了直線電動機的定子、轉子是一個上面裝有能夠左右移動稱為“動子”的平板裝置。 前面已經(jīng)敘述過了，通過齒輪減速機構就能實現(xiàn)將電動機的旋轉運動變?yōu)橹本€運動。但是這種方式很難達到所要求的控制精度和控制速度。在這一點上，使用直線電動機，就比較容易達到高精度定位和快速動作，因為它可以直接產(chǎn)生直線運動。 采用同一原理還能制造出“平面伺服電動機”，它是由動子在并列的平面線圈上自由移動形成的。通常使用的Xy繪圖儀，就是采用電動機分別控制平面的x軸和y軸坐標。因為是直接在平面上劃直線，而不是采用兩直線運動的組合，所以高精度定位和快速控制都可實現(xiàn)。 如果把線路看作定子的展開，再用車身代替動子，就可以形成“直線電動機車：了。日本鐵路現(xiàn)已投入使用的磁懸浮電機車，就屬于這種直線電動機車。這類機車沒有車輪，它是依靠磁鐵把車體懸浮起來運行，其原理與直線電動機完全相同。無刷電動機在直線上展開就能形成直線電動機 音響裝置等使用的都是類似的動態(tài)揚聲器，它們的工作原理是由磁鐵與線圈之間產(chǎn)生振動，再通過錐形紙發(fā)出聲音。線圈裝設在一個叉形磁化鐵內(nèi)，電流通入時，兩磁鐵相互作用使線圈產(chǎn)生運動。聲音信號是一種很復雜的交流波。髓著這一信號的波動，線圈將作前后運動，再通過錐形紙的傳遞，在空氣中產(chǎn)生振動，形成我們所能聽到的聲音。我們稱這個線圈為“音圈”。 根據(jù)音頻原理可以做成“音圈電動機”(VCM)。因為它的動作范圍小，又由于接觸部件少而引起的摩擦也小，所以它是那種響應速度和動作的敏感性能都好的電動機。 音圈電動機多用于驅動讀寫信息的磁頭，例如計算機軟硬盤、 CD-ROM、CD-R、DVD驅動器。除了驅動磁頭，調(diào)