本文主要是介绍有刷电机、无刷电机,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
阅读引言: 最近在备赛, 自己之前虽然用过电机, 但是发现在一些高要求的应用场景, 发现自己对电机的知识理解得不是很透彻, 所以写下这篇文章。
目录
一、 有刷电机内部原理
二、有刷电机一些关键参数
三、无刷电机内部原理
四、无刷电机一些关键参数
五、 电机的一些专业名词
六、 有刷电机和无刷电机比较
无刷电机图片:
有刷电机图片:
一、 有刷电机内部原理
在学习有刷电机工作原理之前, 我们需要先了解一些其它一些基础知识, 如电路知识, 磁场的知识。
电路(Circuit)基础知识:
看上述一副最简单的原理图, 电池提供电流, 依靠开关的通断点亮灯泡, 将电池的极性反转, 灯泡也能正常点亮, 对电机来说, 旋转的方向会发生变化, 原理后面会说。
磁场基础知识:
同性相斥, 异性相吸, 这就是电机旋转力的来源,看下面这张图, 固定住左边的磁铁, 将右边的磁铁不停的将N级和S级换方向, 这样是不是左边固定住的磁铁就能一直保持旋转了。
上述的磁体是永磁体, 也就是它周围的磁场是一直存在的, 上述描述的让固定的磁铁旋转的办法是一直改变右边磁铁的方向, 这个时候其实就会发现这种办法异常的愚蠢。下面使用电路的方式实现NS级的磁性不停改变。
根据法拉第定律, 给一个金属线圈通上电流之后就会产生磁场, 磁场的方向使用右手螺旋定则来确定。如上图, 是不是只需要不断的改变电流的方向, 这样这个电磁铁的NS级就会不断的变化极性。当开关断开的时候, 电磁铁的磁性消失, 这个就是永磁铁无法做到的。
上图中需要不断的改变电流的方向, 第一个反应是不是认为的将电池的正负极颠倒过来, 原理是正确的, 下面将介绍一个神奇的装置, 他就是专门来实现不断改变电流的方向的。
电枢: 一个对称的金属圆环, 当左右两边的电刷接触到中间缝隙的时候, 就能自动实现电流方向的改变。但是上面的这种结构会有一个问题, 就是电机在旋转的时候不对称。
终极结构:
上图中增加了很多的线圈, 也就是多了很多的换向缝隙, 当电流流过不同的线圈的时候, 对应的那个平板磁场就能旋转。
二、有刷电机一些关键参数
直流电机的关键参数主要包括额定电压、额定转速、额定转矩、额定电流、效率、电机电阻和电感以及转矩和转速常数等。详细介绍如下:
- 额定电压(V):指电机在正常工作状态下能够持续承受的电压值,标准电压有助于确保电机安全有效地运作。
- 额定转速(rpm):即在额定工作条件下,电机的旋转速度。不同的电机设计有不同的额定转速,这通常取决于其用途和设计特点。
- 额定转矩(N·m):电机在额定工作条件下能够输出的扭矩值,反映了电机的力矩输出能力。
- 额定电流(A):指流过电机的电流在标称条件下不应超过的值,这个参数决定了电机在长期运行时能够承担的电流负载。
- 效率(%):反映电机转换能量的效率,即输入电能与输出机械能之间的比值。
- 电机电阻(Ω):影响电机发热和功耗的重要参数,与电机绕组的材料有关。
- 电机电感(H):影响电机动态特性的一个因素,包括启动性能和运行稳定性。
- 转矩常数(N·m/A 或 N·m/V):表示单位电流或电压下电机产生的转矩大小。
- 转速常数(rpm/V 或 rpm/A):代表在特定电压或电流下电机的旋转速度。
- 最大转速(rpm):电机所能达到的最高转速,某些应用场合需要较宽的调速范围。
- 最大绕组温度(℃):指电机在最恶劣工况下的绕组温度限值,超过此温度可能会损坏电机绝缘。
以上这些参数对于选择和使用直流电机至关重要,它们不仅决定了电机的工作性能,还对电机的寿命和可靠性有显著影响。在实际应用中,需要根据具体要求选择合适的电机型号,以确保电机能够在最佳状态下工作。
三、无刷电机内部原理
上图为无刷电机的基本模型示意,电机内部有三个线圈,每个线圈的一端都连接起来,另外一端引出到外部,中间有一个具有N/S两极的永磁铁内转子。如果我们按照一定的顺序给电机通电,转子就可以旋转起来。我们举例几种给电的情况来进行简单分析和模拟:
所以这里大家需要现有一个概念, 无刷电机没有电刷, 定子和转子的位置如下:
先说一下为什么需要引入无刷电机, 有刷电机因为换向需要电刷, 磨损大, 噪音大。图中的1, 2, 3分别对应的就是原理图中的ABC三相, 从电调就可以看出
这里的ABC就是位于无刷电机内部的三个线圈罢了。
无刷电机的转子位于外侧, 外侧上面固定了两个永磁铁, 这个时候我们改变123三个线圈的电流, 实现相互吸引和排斥, 就能使外侧的转子不停的旋转起来。
上面这张图表示的是给两个不同的线圈通电, 一个在前面吸引, 一个在后面排斥, 就能是电机有更高的效率, 左边的图会很形象。
那电机是如何直到啥时候给123(ABC)三个线圈通电断电的呢, 这个时候有可以将电机分为有感和无感电机。
有感电机: 通过一些霍尔传感器, 检测转子上面的永磁铁的位置, 就能实现判断定子上的永磁铁的位置来给123(abc)三个线圈通电断电了。
四、无刷电机一些关键参数
无刷电机的关键参数主要包括扭矩、转速和功率。具体介绍如下:
- 扭矩:扭矩是指电机转动力量的大小,反映了电机的负载能力。扭矩越大,电机所能承受的负载也就越大,通常表现电机的性能也越好。在实际应用中,需要考虑应用所需要的最大扭矩,并留有至少20%的余量以应对额外因素,如气隙空气阻力等。
- 转速:转速指的是电机在单位时间内旋转的速度,通常用每分钟转数(rpm)来表示。这个参数决定了无刷电机能够提供多快的运转速度。
- 功率:功率是衡量电机工作能力的一个重要指标,它代表了电机在单位时间内能做多少工。一个电机的功率是由其电压和电流决定的,公式为P=VI,其中P是功率,V是电压,I是电流。
此外,还有一些其他重要参数需要注意:
- 空载电流:这是指在指定电压下,电机无负载工作时的工作电流。了解空载电流有助于评估电机在不承载任何负载时的电能消耗水平。
- KV值:KV值代表的是电机的转速常数,即在特定电压下电机的空转转速。这个参数对于需要精确控制转速的应用来说非常重要。
在选择无刷电机时,除了考虑上述关键性能参数外,还应该根据具体的应用场景和要求来确定合适的电机型号。例如,如果对尺寸有特定要求,那么电机规格就显得尤为重要。像2212或2216这样的数字,通常用来表示无刷电机的定子直径和高度,这对于确保电机能够适配安装空间非常关键。
五、 电机的一些专业名词
在电机领域,专业名词是理解其技术特性和工作原理的关键。以下是一些常见的专业术语:
- 电机碳刷:这是电机中用于传输电流到转子的部件,通常由碳或石墨制成,具有良好的导电性和耐磨性。
- 电机参数:指的是描述电机性能和特征的一系列数值,如额定功率、转速、电压、电流等。
- 电机槽宽:指电机定子槽的宽度,与线圈的放置有关,影响电机的性能。
- 电机槽内导体:位于电机定子槽内的线圈或导体,是产生旋转磁场的重要组成部分。
- 电机常数:这是一个综合反映电机性能的参数,包括电机的结构和使用材料等特性。
- 杂散电感:指电机内部非理想电磁耦合产生的额外电感,会影响电机的性能。
- 定子:电机的静止部分,包含绕组和铁芯,用于产生旋转磁场。
- 转子:电机的旋转部分,在磁场中转动,从而将电能转换为机械能。
- 球隙:一种保护装置,用于防止过电压对电机造成损害。
- 电力变压器:用于升高或降低交流电压的设备,对于电力系统至关重要。
- 三相鼠笼感应电动机:一种常见的交流电动机类型,以其结构简单和成本低廉而广泛应用于工业领域。
- 直流电动机:使用直流电作为动力源,将电能转换为机械能的电动机。
- 交流电动机:使用交流电作为动力源,同样将电能转换为机械能的电动机。
了解这些专业名词有助于在研究和选择电机时,更加准确地理解其技术规格和适用性。
六、 有刷电机和无刷电机比较
特性/电机类型 | 有刷电机 | 无刷电机 |
---|---|---|
结构 | 具有碳刷和换向器,用于实现电流传输和转子转向变换。 | 没有碳刷和换向器,通常使用电子控制器实现转向变换。 |
效率 | 较低的效率,因为有碳刷摩擦产生的能量损失。 | 高效率,由于减少了碳刷摩擦和其他接触性损耗。 |
维护 | 需要定期更换碳刷,维护成本较高。 | 几乎不需要维护,因为磨损件较少。 |
寿命 | 较短,由于碳刷和换向器的磨损。 | 较长,没有易磨损的碳刷和换向器。 |
噪音和电磁干扰 | 产生较多噪音和电磁干扰,由于碳刷与换向器的接触。 | 低噪音、低电磁干扰,适用于要求安静和低干扰的环境。 |
控制 | 简单的控制方式,但调速性能较差。 | 可以实现精确的速度控制和高性能动态响应。 |
成本 | 制造成本较低,但由于维护和更换零件的需要,长期成本可能较高。 | 制造成本较高,但由于维护成本低,长期成本可能更有优势。 |
应用 | 适用于低成本、对效率和维护要求不高的应用。 | 适用于高效率、长寿命和低维护需求的应用。 |
这篇关于有刷电机、无刷电机的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!