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【原创深度】请勿忽视不起眼的有刷直流电机(连载一)

cathy 发布于:周三, 01/10/2018 - 14:02 ,关键词:

作者:Bill Schweber 贸泽电子

自从无刷直流电机诞生,“古老的”有刷电机就开始没落,但它依然是低成本应用的可靠选择。

在有刷电机中,磁极方向的跳转是通过移动固定位置的接触点来完成的,该接触点在电机转子上与电触点相对连接。这种固定触点通常由石墨制成,与铜或其他金属相比,在大电流短路或断路/起动过程中石墨不会熔断或者与旋转触点焊接到一起,并且这个触点通常是弹簧承载的,所以能够获得持续的接触压力。

在20世纪,大中型有刷电机在工业和先进制造领域中发挥着巨大的作用,直流电机的基本理论也被查尔斯•斯坦梅茨(Charles Steinmetz)等杰出人物广泛分析,这包括详细的电路,电动势、磁场方程、性能参数(速度,扭矩,控制和效率)、设计、制造等。几十年来,直流电机理论和与应用的课程几乎是所有工科专业的标准课程,这些课程包含全面的小型和大型电动机实验室课程。

由于使用MOSFET和IGBT作为电机的开关及其更加实用、更加经济可靠的控制方式,早在几十年前,有刷电机的优势便开始衰落。取而代之的是无刷直流(BLDC)电机及其变体,如步进电机,这些电机逐渐成为主流的直流电机。现在,无数的汽车,磁盘驱动器,打印机以及中小型设备等都使用了无刷直流电机。

这种转变的原因很显然:使用开关器件,驱动器和智能控制器的先进电子设备使电机系统在效率、可靠性、电气噪声、可控性和多功能性等方面变得更优秀。这些BLDC电机没有刷子磨损,也不会引起EMI / RFI。因此,随着无刷替代品的使用,BDC电机的使用量急剧下降。

尽管从有刷电机到无刷电机发生了巨大的转变,但在能够满足必要的性能,低成本和足够的可靠性的前提下,有刷电机依旧是一个很好的选择。如便宜的玩具以及一些功能简单的应用场合,如汽车的电动座椅等。

更进一步的,综合使用最新的控制器、MOSFET / IGBT开关,并且充分了解其局限性,就可以让电极提供足够好的性能。由于它们几乎不需要电子控制装置,所以整个电机控制系统相当便宜。此外,基本的BDC电机在电源和电机之间只需要两根电缆,这样就可以节省配线和连接器所需的空间,并降低电缆和连接器的成本。

有刷电机基础

所有电机(特殊的除外,例如压电电机)的工作都依赖于定子与转子电磁场之间的相互作用,这些电磁场被控制,从而周期性的在定子和转子之间产生引力和斥力,进而引起运动,如图1和图2所示。

“图1:无刷直流电机外部磁场(由永磁体提供),电刷,电枢上的换向器及运动原理。图片来源:http://www.cyberphysics.co.uk”
图1:无刷直流电机外部磁场(由永磁体提供),电刷,电枢上的换向器及运动原理。图片来源:http://www.cyberphysics.co.uk

“图2:有刷直流电机在其电枢上绕有大量的线圈,所产生强大的磁场与外部磁场(此处由永磁体提供)相互作用产生旋转运动。图片来源:Clemson
图2:有刷直流电机在其电枢上绕有大量的线圈,所产生强大的磁场与外部磁场(此处由永磁体提供)相互作用产生旋转运动。图片来源:Clemson University

基本的有刷电机已经完全机械化,不需要电子设备参与。控制也十分简单:连接直流电源,电机自启动然后旋转。由于小接触角度形成一个“死区”,所以有刷直流电机有着潜在的启动问题,但这可以通过一些机械设计调整来解决。

要实现反向旋转,只需将直流电源线对调,要调整运动速度(在有限的范围内),只需要升高或降低供电电压。一般来说,BDC电机的转速与其励磁线圈的电动势(EMF)成正比(EMF是施加于其上的电压减去由于电阻损失的电压),而转矩与电流成比例。

那么有刷电机是如何产生使其电枢旋转所需的旋转磁场,而无需外部控制器的呢?是电机自己完成这项工作的。在电机壳体上有一对180°分开的电刷,这对电刷通过两个换向器触点(金属板)将施加的电流引导到电枢线圈上; 每个金属板覆盖近180°的电枢。当电机转动时,电源,电刷,换向器金属板和两个电机线圈(绕组)之间的电流回路每转半圈就自动切换一次。

电枢的磁场与转子的磁场相互作用,转子的磁场可以通过电机本体上的固定线圈产生,也可以通过永磁体产生。当转子转动时,其磁场方向也要反转,从而电机保持转动,因为线圈产生的磁场的方向是一直切换的,并且被外部线圈或永磁体产生的磁场吸引/排斥。

请注意,一直来,永磁体的使用范围仅限于微型电机,例如玩具,因为在尺寸和重量都比较合理的情况下,磁体的强度并不足够大。但是,使用稀土材料的高能量永磁体的发展改变了这个局面,这使得基于PM的BDC电机适用于大型电机,即使在分马力范围内也是如此。尽管由于外部励磁线圈不需要电源而使得PM方法效率更高,但它会降低系统控制电机行为的自由度。无论是PM BDC电机还是励磁线圈的设计,都需要权衡尺寸、成本、重量、控制需要等因素。

超越基本有刷电机

在基本形式中,BDC电机是优雅和简单的典范。事实上,许多为年轻人提供的基础科学工具都是使用一个简单的拉丝马达来展示电学和磁学的基本原理以及它们之间的相互作用是如何产生有效运动的,如图3所示。这个过程不需要电子器件,并且所有的动作和电流路径都是可见的。

“图3:没有比这个学生项目版本更简单电机了,它使用永磁体产生外部(定子)磁场,使用回形针作为电刷,使用小线圈作为电枢绕组线圈;
图3:没有比这个学生项目版本更简单电机了,它使用永磁体产生外部(定子)磁场,使用回形针作为电刷,使用小线圈作为电枢绕组线圈; 它直接通过电池运行。

所讨论的BDC电机是这样的:简单和基本。然而,鉴于这些电机的许多应用和规格已经被投入使用有100多年了,所以开发者也设计出许多新的变体来克服电机的某些弱点或者在特定应用中优化其性能。其中有许多变体集中于通过改变定子的励磁线圈和电枢线圈。而一些其他的变体通过永久性或者暂时性添加电容器和电阻器来调整电压,限制电流或者改变电压/电流的相位关系。

敬请期待:请勿忽视不起眼的有刷直流电机(连载二)

原文链接:https://www.mouser.com/applications/dont-ignore-the-brushed-dc-motor/

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