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有刷直流電機(jī)的關(guān)鍵部件組成和有刷電機(jī)的驅(qū)動電路方式

發(fā)布時間:2023-05-11 17:49:46人氣:

 有刷直流電動機(jī)的基本原理當(dāng)然是將電能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動。它通過磁鐵之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),其中之一通常是通過使電流流過鐵氧體磁芯周圍的電線來產(chǎn)生的。流過導(dǎo)線的電流產(chǎn)生第二磁場。這與主磁場相互作用,產(chǎn)生一個反向力,移動電機(jī)的一部分,通常導(dǎo)致它繞軸旋轉(zhuǎn)。


 有刷直流電機(jī)由四個關(guān)鍵部件組成;固定磁鐵(稱為定子)、轉(zhuǎn)子、換向器和電刷(見圖)。

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 轉(zhuǎn)子由一個或多個繞組纏繞在由黑色金屬(通常是鐵)制成的磁芯上組成,并通過金屬電刷連接到電源。當(dāng)通過轉(zhuǎn)子繞組發(fā)送電流時,產(chǎn)生的磁場與定子的磁場相互作用并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的力。定子可以是永磁體或電磁體,具體取決于任何特定應(yīng)用的要求。


 這一切都很好,但如果只使用普通電線將轉(zhuǎn)子繞組連接到電源,一旦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動得足夠遠(yuǎn),它的磁力就會有效地反轉(zhuǎn)方向所以轉(zhuǎn)子只會來回移動,而不是旋轉(zhuǎn)一個方向。


 為了解決這個問題,使用換向器,換向器是圍繞轉(zhuǎn)子軸的導(dǎo)電銅套,在物理和電氣上分為多個部分。當(dāng)換向器旋轉(zhuǎn)時,它通過電刷連接和斷開這些段,為不同的段對供電。這會導(dǎo)致電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)180時磁場極性反轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。


 無刷直流電機(jī)替代解決方案:


 顧名思義,無刷直流電機(jī)沒有電刷。相反,它使用電子控制電路中的晶體管來為轉(zhuǎn)子的電線施加和移除電力,從直流電源產(chǎn)生交流電以在每個半周期反轉(zhuǎn)電流,從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。


 無刷直流電機(jī)通常比有刷電機(jī)更平穩(wěn)、更高效,具有更高的扭矩功率比,并提供更高的速度和更精確的控制。由于電刷或換向器沒有磨損,它們需要的維護(hù)更少,使用壽命更長。然而,無刷電機(jī)的主要缺點(diǎn)之一是成本:電機(jī)本身以及所需的更復(fù)雜的驅(qū)動電路。


 為提供連續(xù)運(yùn)動,無刷電機(jī)的控制器會在電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)180度或另一個固定量(例如三相電機(jī)的120度)時反轉(zhuǎn)電流的方向或相位。


 改變控制電壓可以使用模擬組件實(shí)現(xiàn),或者使用FPGA或微控制器以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)??刂齐娐沸枰离姍C(jī)的相對角位置,以便它可以在正確的時間激活正確的相位。這可以通過使用傳感器、光學(xué)編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器來實(shí)現(xiàn),或者在沒有傳感器的情況下通過從磁場產(chǎn)生的反電動勢推斷旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)。在任何一種情況下,都經(jīng)常使用一體化電機(jī)驅(qū)動器,它將所需的功能集成到單個芯片中。


 有刷電機(jī)的驅(qū)動電路:


 如上所述,有刷電機(jī)不需要外部控制器,因為磁場極性的變化是通過電刷通過繞組接通和斷開電通路來實(shí)現(xiàn)的,從而實(shí)現(xiàn)單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。


 對于某些應(yīng)用程序,這已經(jīng)足夠了。但是如果想要能夠改變電機(jī)的速度,或者反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向,就需要一個驅(qū)動電路。這可以很簡單,只需反轉(zhuǎn)電流方向,使電機(jī)轉(zhuǎn)向另一方向即可。


 要改變速度,可以使用分壓器改變電壓速度與電壓成正比。然而,以這種方式降低電壓效率低下,因為分壓器不會降低總電流。為了克服這個問題,經(jīng)常使用脈沖寬度調(diào)制(PWM),它涉及快速關(guān)閉和打開電流以降低電機(jī)兩端的平均電壓。


 讓看一個簡單的單向應(yīng)用程序示例,例如玩具。為此,只需要一個晶體管和一個反激式二極管,它們提供了一條途徑來消散反電動勢,否則可能會造成損壞(見圖)。為了使速度可變,需要一個可以提供所需功率并可以通過控制信號打開和關(guān)閉的晶體管。

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 如果需要改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,可以使用H橋電路來實(shí)現(xiàn),之所以這樣稱呼是因為它使用四個晶體管來控制電流(見圖)。當(dāng)兩個晶體管Q1和Q4導(dǎo)通時,電流從左到右流過電機(jī)(圖中標(biāo)記為BDC),使其旋轉(zhuǎn)。關(guān)閉Q1和Q4并打開Q2和Q3,會使電流從右向左流過電機(jī),從而使其沿相反方向旋轉(zhuǎn)。圖中還表明,仍然需要為每個晶體管配備一個反激二極管,就像前面討論的單晶體管電路一樣。實(shí)際上,晶體管的體二極管提供了這種功能。

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 有刷直流電機(jī)可能看起來不如無刷電機(jī)那么迷人,但它們提供可靠、經(jīng)過驗證的性能,需要不太復(fù)雜的驅(qū)動電路將總體成本保持在最低水平。

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