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(yīng)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(zhuǎn)速發(fā)電機（TG）將馬達的轉(zhuǎn)速、扭矩等物理量檢出，再利用霍爾原件取代電刷，因此在結(jié)構(gòu)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(gòu)造與原理，以及各類馬達性能之比較。直流馬達的構(gòu)造與原理圖1為馬達之基本構(gòu)造示意圖，一般的電動機在構(gòu)造上可以分成五個部分：定子轉(zhuǎn)子///////N控制器oooo定子轉(zhuǎn)子///////N控制器oooo圖1馬達之基本構(gòu)造電極（armature）或轉(zhuǎn)子（rotor）為馬達旋轉(zhuǎn)的部分，材質(zhì)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(zhì)為永久磁鐵或是線圈（外接電源）。滑環(huán)（slipring）或轉(zhuǎn)向器（commutator,如直流馬達之碳刷）連接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子材質(zhì)的馬達則無需滑環(huán)或轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生磁場，當轉(zhuǎn)子也通上電流時由于切割定子所產(chǎn)生的磁力線而生成旋轉(zhuǎn)扭矩造成電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。如圖2所示，假設(shè)轉(zhuǎn)子之繞組只有一組線圈時，當轉(zhuǎn)子線圈通上電流時由于切割定子所產(chǎn)生的磁力線而生成旋轉(zhuǎn)扭矩，致使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，以圖2而言，定子的磁力線由左至右，而轉(zhuǎn)子的電流方向為由右方流入左方流出，因此生成的旋轉(zhuǎn)扭矩使得轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。直流馬達之基本構(gòu)造均與圖2類似，其他種類電動機的基本構(gòu)造則只是在定子部分有所差異，例如交流感應(yīng)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(zhuǎn)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(gòu)造與原理電動機構(gòu)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(zhì)，電刷長期與電動機的轉(zhuǎn)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(zhì)制作，在長期磨耗下會造成間隙，容易在運轉(zhuǎn)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(chǎn)生，無刷馬達在構(gòu)造上是利用永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子，并且利用霍爾效應(yīng)感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子的位置，當轉(zhuǎn)子之相位為n/2時令定子激磁，如此可以達到最高的運轉(zhuǎn)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。霍爾效應(yīng)滿足以下關(guān)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(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)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(nèi)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(cè)為S極，故轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)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(chǎn)生霍爾電壓電晶體QI、Q2呈OFF狀態(tài)，轉(zhuǎn)子因受慣性作用繼續(xù)反相旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子N極轉(zhuǎn)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(nèi)有i2電流流通，因此線圈L2呈激磁狀態(tài)，轉(zhuǎn)子再度受磁力作用反轉(zhuǎn)，依照如此程序轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線圖，直流馬達除了轉(zhuǎn)-轉(zhuǎn)矩曲線圖以外通常還有電流-轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩”與“電流-轉(zhuǎn)矩”特性均為線性關(guān)系，因此在一般需要做到轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(jīng)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(zhuǎn)數(shù)曲線特性，同時也要考慮電源形式與運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速（rpm）,當然最好能有馬達特性曲線，如電流轉(zhuǎn)矩圖與電流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的物體轉(zhuǎn)動慣量，再考慮旋轉(zhuǎn)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(qū)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(yīng)馬達單相感應(yīng)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