直流電動機簡介

直流電動機簡介一、電動機的種類與原理電動機即為工業(yè)界俗稱的馬達，總類依照使用的電源可成為直流馬達（DCmotor）與交流馬達（ACmotor）兩大類，若再以控制方式、啟動方式與繞組方式分類則可分成步進馬達（steppingmotor）、伺服馬達（servomotor）、無刷馬達、單相交流馬達、三相感應馬達、串激式直流馬達、、分激式直流馬達、與複激式直流馬達等。其中無刷馬達又稱作直流伺服馬達（DCservomotor），直流伺服馬達之特性與直流馬達相似，兩者的差異在于直流伺服馬達利用角度編碼器（encoder）與轉速發(fā)電機（TG）將馬達的轉速、扭矩等物理量檢出，再利用霍爾原件取代電刷，因此在結構上直流伺服馬達除了感測器部分以外，其余均與一般的電動機相仿。以下分別討論直流馬達與無刷的構造與原理，以及各類馬達性能之比較。直流馬達的構造與原理圖1為馬達之基本構造示意圖，一般的電動機在構造上可以分成五個部分：定子轉子///////N控制器oooo定子轉子///////N控制器oooo圖1馬達之基本構造電極（armature）或轉子（rotor）為馬達旋轉的部分，材質為永久磁鐵、線圈（外接電源）、導線（無外接電源）或特殊形狀之導磁材料。場繞組（field）或定子（stator）材質為永久磁鐵或是線圈（外接電源）?；h(huán)（slipring）或轉向器（commutator,如直流馬達之碳刷）連接轉子繞線至外部換向器用于改變電極繞線之電流方向，使用永久磁鐵為轉子材質的馬達則無需滑環(huán)或轉向器軸承（bearing）可使用滾珠、滾針、滾珠、含油自潤軸承，主要提供轉子穩(wěn)固馬達控制器（motorcontroller）包含控制馬達的輸出扭矩、速度或轉角，以及大型馬達起動、停止之順序控制?？刂破鞣N類也相當多，如單相交流馬達使用的電容分相啟動器，直流馬達使用的功率控制器、變頻器、或是伺服馬達控制器等，都屬于馬達控制器。雖然電動機的種類相當多，不過各種電動機的基本操作原理都相同，都是利用電流流過定子產生磁場，當轉子也通上電流時由于切割定子所產生的磁力線而生成旋轉扭矩造成電動機轉子的轉動。如圖2所示，假設轉子之繞組只有一組線圈時，當轉子線圈通上電流時由于切割定子所產生的磁力線而生成旋轉扭矩，致使轉子轉動，以圖2而言，定子的磁力線由左至右，而轉子的電流方向為由右方流入左方流出，因此生成的旋轉扭矩使得轉子順時針旋轉。直流馬達之基本構造均與圖2類似，其他種類電動機的基本構造則只是在定子部分有所差異，例如交流感應電動機由于交流電源有相角差之緣故，因此定子的磁場由固定磁場變成旋轉磁場，此外場繞組（定子）的接線方法也有所謂“△接法”“Y接法”““Y4接法”無刷馬達的構造與原理電動機構造中滑環(huán)由于是采用接觸式通電的方式，所以也稱作電刷。在直流電機中常以石墨作為電刷的材質，電刷長期與電動機的轉子摩擦會造成相當程度的噪音，同時也會因磨耗而需要考慮維修的問題。在交流電動機中電刷則采用金屬材質制作，在長期磨耗下會造成間隙，容易在運轉時發(fā)出火花，諸如此類的問題都對電動機的可靠度與安全性有相當程度的影響。無刷馬達就是在這樣的需求下產生，無刷馬達在構造上是利用永久磁鐵作為轉子，并且利用霍爾效應感應電動機轉子的位置，當轉子之相位為n/2時令定子激磁，如此可以達到最高的運轉效率，利用這樣的原理也可以使用在四行程機車引擎點火正時上?；魻栃獫M足以下關系式：其中VH為霍爾電壓，IH為霍爾電流，"為霍爾元件電磁系數(shù)，K為霍爾元件不平衡系數(shù)，B為磁通密度。由以上公式可以了解霍爾電壓與磁通密度（磁場強度）及霍爾電流成正比，因此當轉子之磁軸與霍爾元件不同軸時，磁通較小，為了維持固定的霍爾電壓必須增大霍爾電流，如此便能精確的算出定子的激磁順序與時間?；魻栐c直流馬達所構成的無刷馬達如圖3所示

baABQ2b訂aR1993鳥刷直流伺服馬違baABQ2b訂aR1993鳥刷直流伺服馬違霍爾元件如圖3所示，當轉子磁軸與霍爾元件同軸時，霍爾元件與S極距離最短，因此磁通密度最高，此時造成霍爾元件A端子電壓較大，使得電晶體Q1導通，則線圈L1內有訂電流流通，因此線圈L1呈激磁狀態(tài)，依據(jù)右手定則得知線圈L1右側為S極，故轉子反轉。當轉子S極遠離霍爾元件時造成磁通密度下降，因此A、B端不再產生霍爾電壓電晶體QI、Q2呈OFF狀態(tài)，轉子因受慣性作用繼續(xù)反相旋轉。當轉子N極轉至霍爾元件時，造成霍爾元件B端子電壓較大，使得電晶體Q2導通，則線圈L2內有i2電流流通，因此線圈L2呈激磁狀態(tài)，轉子再度受磁力作用反轉，依照如此程序轉子持續(xù)轉動。圖3為有兩組場繞組線圈因此稱作二相無刷直流伺服馬達，當控制精度要求更高時，可以增加場繞組線圈數(shù)目，因此工業(yè)上常使用的四相、五項無刷馬達，即是指此類運用霍爾元件制成的無刷直流伺服馬達。無刷直流伺服馬達由于利用霍爾元件感應激磁順序與時間，因此又稱作【電子換相馬達】，利用霍爾元件感應激磁順序與時間可以減少不必要的電能浪費，同時也可以適時的提供轉子轉動所需的電磁力，因此大幅度提升馬達輸出扭矩與效率二、馬達之特性曲線與運用方式電動機之特性曲線時評估、運用電動機時的一項重要指標，電動機特性曲線通常指的就是轉速-轉矩曲線圖，直流馬達除了轉-轉矩曲線圖以外通常還有電流-轉矩曲線圖。如圖4所示為12伏特直流馬達特直流馬達與其他馬達最大的差異在于其“轉速-轉矩”與“電流-轉矩”特性均為線性關系，因此在一般需要做到轉速、轉矩控制的場合中，若控制精度不需很高的情況下，通常以直流馬達作為制動器是較為經濟的選擇。運用動力電動機時必須考量的因素包含輸出負荷大小、馬達輸出扭力與轉數(shù)曲線特性，同時也要考慮電源形式與運轉模式。在運用直流馬達時，必須注意它的工作電壓，直流馬達電源常見規(guī)格為DC12V與DC24V，交流馬達則為AC110V與AC220V；另外還要知道輸出扭矩大?。╣-cm、kg-cm）,以及轉速（rpm）,當然最好能有馬達特性曲線，如電流轉矩圖與電流轉速圖等，以方便作為運用馬達時的參考。計算扭力需求時，先計算欲旋轉的物體轉動慣量，再考慮旋轉速度決定減速比，然后決定馬達工作扭力值，即可依照馬達特性選擇適用形式。以下便以表格的方式列出電動機之分類與驅動控制方法，可比較在不同的使用條件下各種電動機的優(yōu)劣。表1各種馬達比較三相感應馬達單相感應馬達直流馬達伺服馬達步進馬達駆動訊號交流交流直流直流/交