直流电机的特性和种类.doc

直流电机的特性和种类2、 前面一章叙述的是由永久磁铁作定子、铁芯线圈作转子、带电刷的直流电动机的工作原理。通常称为“永磁式有刷”直流电动机。长期以来，这种电动机一直在被广泛地应用着。 除了永磁式有刷直流电动机外，还有其他几种直流电动机。一种是有永久磁铁和电刷，但其转子没有铁芯，称为“无铁芯”直流电动机；另一种是定子采用电磁线圈代替永久磁铁称为“电磁式有刷”(绕线式)直流电动机，这种电动机的转子同定子一样，都采用铁芯线圈产生工作磁场。 绕线式电动机有三种形式。定、转子线圈串联连接的称为“串励”电动机；并联连接的称为“并励”电动机；定子线圈一分两路，一路与转子串联连接，另一路与转子并联连接的称为“复励”电动机。 还有没有整流子和电刷的，根据电子切换原理控制定子电流的电动机称为“无刷”直流电动机；不连续旋转，而是以某一角度间歇转动的电动机称为“步进”电动机；不是旋转而是作直线运动的电动机称为“直线”电动机。其中，无刷电动机和步进电动机虽然可划分在直流电动机范畴，但是只给它们提供直流电源是不够的，还必须给它们配置类似于交流伺服电动机的电子开关电路。 为了说明电动机的原理，通常都是从永磁式有刷直流电动机的特性说起。 “输入电流和转矩成正比”是最基本的特性之一。电动机的转矩也就是旋转力矩来源于放置在磁场中的转子线圈所受的“电磁力”(参见第34页)。这个电磁力与磁场强度的强弱和流过线圈的电流的大小成正比。定子采用永久磁铁的电动机磁场强度一定，所以它的电磁力的大小只与电流的大小有关。也可以说电动机的输出转矩与转子电流成正比。 如果把上述转矩和电流的关系描绘成曲线，就会发现它是一条直线，通常还称为“线性”特性。通过这条曲线可以看出，转矩和电流始；终是沿着那条斜线变化。不管在曲线上哪一点，只要电流变化，转矩：就会跟着变化。 “转矩和转速成反比是电动机的另一特性。电风扇和玩具车等，都是电动机驱动的机械负载。电动机不接负载的旋转称为“空载旋转”。这个状态下的转速称为“空载转速、电流称为“空载电流。电动机从空载状态开始旋转：负载逐渐加大。右边图形就描述了这种状态下负载与转速的关系曲线。 这也是一条反倾斜直线，通常称转矩一转速特性为反比例特性。当施加在电动机的电压变化时，曲线也随之做上下平移。转矩一电流、转矩一转速、转速一电压等特性曲线都是直线，所以使得电动机的控制变得更为简单。尤其是有了电流控制，使得电动机在启停时，都可以按所需要的加、减速任意设置了。 永磁式电动机由于定子使用的是磁铁，与绕线式电动机相比，它不需要另外增加产生磁场的电能；同时，转子又采用高磁通密度的铁芯，所以效率高是它的一个特点。另外，使用整流子和电刷结构，可以不使用特殊的电子线路。这些都是它的优点。 当然，使用这些结构亦有它的缺点。由于整流子和电刷的机械接触，随着电动机转速的增加，势必产生噪声，这将限制了转子的高速旋转；由于磨损需要定期更换电刷和定期维护，这势必会减少它的使用寿命(参见第22页)；又由于电感线圈的存在，产生电气噪声等都是它转子采用硅钢片叠片铁芯，其重量加大了转子的转动惯性。更重要的是转子铁芯和线圈之间，相对定子磁极的间隙随着转子的位置不同，对磁通的影响也不同。因为磁通总是避开间隙较大的地方而是沿着间隙较小、导磁率较高的地方流过，所以转动中就有可能发生转矩为零的死区。高速旋转时还不会出现什么问题，低速旋转时就有可能产生时快时慢，用术语来说是“齿槽效应。为了减小这种齿槽效应，人们下了很多工夫，比如增加转子极数、将转子铁芯形状做成扇形等。 综合考虑上述各种优缺点，永磁式有刷直流电动机是一种容易推广使用的电动机。事实证明，很多产品的动作都是采用这种电动机驱动的。所以，我们仅仅了解产品目录上标定的“额定电压”、“空载转速”、“最大转矩”是不够的，了解电动机的性能非常重要。 为了增加有刷直流电动机的磁力，通常在线圈中插入铁芯(芯)，但也有其缺点。还有一种转子线圈不插铁芯的电动机，称为“无铁芯”电动机。 无铁芯电动机的转子线圈是由导线绕制而成的，分圆筒型和平板型。圆筒型线圈的电动机称为圆筒电动机、扁平线圈的电动机称为平板型电动机。圆筒电动机的定子永久磁铁安装在圆筒线圈的内侧，平板型电动机定子磁铁固定在圆盘上。因为扁平线圈的绕制方法不同，使得它有别于“印制”型电动机和“薄片线圈型电动机。 电动机不安装转子铁芯，使得惯性质量减小了；还可以减小由于铁芯外形引起的齿槽效应转矩。这是机械特性上的优势。另外，不安装铁芯，磁通量通过铁芯产生的涡流也不存在了，这就使得电气效率更高了。电动机的电感量小，整流时产生的火花也可以减少，这是电气特长。圆筒型电动机的转轴直径可以做得很小，大概可以做到几司米以内。这样，可以减小电动机的长度，使得制造超薄型扁平电动机成为可能。这将推动多种小型电动机的发展。 根据这些特性，虽然输出转矩不能太大，但是它的高速响应是极有使用价值的。无铁芯电动机有着优良的控制性能多用在小转矩输出的伺服控制系统上。 安装在火星探测器上，探测火星地面的机器人存储器，就使用MAXON公司的圆筒型无铁芯电动机。录制和播放音乐等需要高精度转速的小型计算机设备的驱动电动机，多使用平板型无铁芯电动机誉最近，随着便携式计算机设备的出现，使得超薄扁平型无刷无铁芯电动机的应用范围更宽了。 并励电动机 定子磁场以电磁铁代替永久磁铁，由这种定子组成的电动机称为“绕线式有刷”直流电动机。又因为定子线圈与转子线圈是并联连接的，所以称为“并励式”电动机。 因为是并联连接，所以定子和转子线圈可以分别由不同的电源供电。在电气线路上，电源与定子构成一个回路、电源与转子构成另外一个回路，这样就可以采用两个彼此独立的电源，避免两个通电线圈之间的相互影响。 定子线圈与电源接通时，产生的磁场强度与通入它的电流大小成正比，当流入并励线圈的电流恒定时，产生的磁场强度也恒定。 永磁式电动机的定子磁场是由磁铁产生的，所以它的磁场强度也是恒定的。又因为大家都使用同一结构的转子，所以并励电动机的转矩一电流特性和转矩一转速特性与永磁式直流电动机有相同的线性特性。 与永磁式直流电动机相比，定子不使用高价格的永久磁铁，成本可以减少。永久磁铁不容易制作，尤其是需要使用磁场强度很大的大型直流电动机。而制造高强度电磁铁就容易得多了。这是它的优点。但是，电磁铁需要消耗额外的电流，使得效率有所降低。 定子和转子的磁极方向是随着电流方向的改变而同时改变的，所以改变电源的正负极接线并不能改变电动机的转向的。转子线圈与定子电磁铁并联连接 “串励”电动机不同于并励电动机，它的定子和转子线圈是串联连接的，所以称为串励有刷直流电动机。电气接线是从电源的一端起，通过定子线圈，然后再通过转子电刷整流子，最后回到电源的另一端，形成一个回路。它的特点是定子与转子为同一电流。 串励直流电动机的电流增加时，定子和转子磁场同时增加。转矩一电流特性为口杯形，也就是说转矩与电流的平方成正比。这与磁场恒定的电动机相比，它的转矩增加的幅度可以很大，适合于大转矩输出的电动机。另外，它还有空载转速高的特性。 串励电动机与并励电动机一样，不能通过改变电源的正负接线而改变电动机的转向。从电流的角度看，改变电流方向时，由于定子和转子磁场同时改变方向，而磁场与电流的方向关系并没有改变，所以旋转方向也不能改变。 如果把定子励磁线圈分成两部分，一部分与转子线圈并联，另一部分与定子线圈串联，就构成了“复励电动机”。因为这种电动机的结构可以分解成并励和串励结构，所以它的特性也恰巧在两者之间。 对于直流电动机来说整流子和电刷是不可缺少的，但它有弱点。现在，通过电子开关线路取代机械接触式切换线圈电流的通断，从而产生了无刷电动机。在结构配置上，无刷电动机既没有整流子和电刷，在定转子的磁场构成上也与有刷电动机截然不同。无刷电动机的定子是由三组(也称“三相”)线圈组成的，其中每一相又是由在空间上相对的两个线圈组成。装配线圈时应确保三相线圈在定子上均匀分布，并使它的各边都能依次以不同的角度切割转子。当通入定子线圈的电流依次切换时，它的磁场就会按转子旋转方向旋转(所以称为“旋转磁场”)，同时驱动永久磁铁转子旋转。 实现上述功能的必要条件就定转子的磁极位置与定子电流切换的控制要配合好，所以必须检测转子磁极的位置。一般使用霍尔元件作为磁极检测器。 无刷电动机不会产生由于电刷和整流子的机械接触而形成的磨损和火花，因而寿命长，适合于高速旋转。但是启动时必须有单独的电源，还需电子开关线路的配合。最近，已经研制出了一种可以取消磁极检测器的电子线路。使得无刷电动机的结构变的更为简单了。 作为直流电动机的进化产品，从构造上无刷电动机已经可以与交流同步电动机等同对待。事实上，这种无刷电动机已经在以“交流伺服电动机”控制的伺服控制领域崭露头脚。还有VTR汽缸、收录机的磁带行走机构、CD播放机驱动机构等，既要求高速度旋转又要耐久性使用，还有需要高精度高转速的定位控制的机器人、NC工作机构的驱动机构等，使用这种电动机都十分适合。 “步进”电动机与普通连续旋转的电动机不同，它是按定位要求发出脉冲指令，驱动电动机旋转的。从转动原理上看，由于这种旋转不需要切换转子电流，所以定子与转子磁极间的作用力是稳定的。这也是它不能连续旋转的原因。 右边图形描述的是永磁式(permanent masnet)步进电动机的工作原理。它的结构与无刷电动机相同，定子采用线圈磁场，转子则采用永久磁铁磁场。定子线圈平面与转轴平行，其中总有1组称为“相”的线圈在通电工作。这种电动机是按定子相线圈的个数命名的，5相就称为五相步进电动机。 对于步进电动机，当通入定子电流的相线圈产生的磁极与转子磁极相互吸引时，电动机处于稳定状态。这一点与无刷电动机相同。如果依次切换定子通电相线圈，当然切换应该是在转子磁极转到与定子通电相线圈的磁极正好相互吸引的位置，就能形成按相角之差的定位动作。 控制定子载流相的切换需要电子线路。通过这个回路产生“脉冲信号”，完成定子载流相的切换驱动电动机转动。 这种电动机的动作恰巧与刻度钟表的秒针相类似，都是依据动力定位原理。 除了永磁式步进电动机，实用中还有磁阻式和混合式步进电动机。后两种与永磁式相比，有着更小的相角差。它们都是利用定子和转子上的“齿槽”的位置关系控制电动机转动，以便完成更精确的定位控制。 磁阻式(Variable reluctance)步进电动机的转子采用铁磁性体，在定子磁铁的磁化作用下产生磁性。 这种电动机的圆筒形转子的外缘和定子的前端都分别加工一定数量的齿槽。当定子产生的磁极吸引转子的磁极时，转子发生转动。当转到两齿槽顶对顶的位置时，转子就停止转动。因为这时的磁路间隙(空气隙)最小，磁通量集中，产生的电磁吸力最大，所以这是一个相对稳定的位置。 在制作结构上使转子上的齿槽顶正好与下一个定子载流相的齿槽顶的12处相对应。过了平衡位置，定子载流相也切换到这一定子相线圈上。转子因受到定子的吸引力而向前转动12齿槽，再一次处于平衡状态。依次进行下去，每改变一次定子载流相，转子就转动12齿槽。 磁阻型步进电动机的转子直径可以做得很小，这样它的惯性转矩就小。这一点对于执行控制指令，就可以显示出高速响应的特性。但是因为转子磁极是通过定子磁化而来的，效率低是它的缺点。最近已不怎么使用了。 随之而来就产生了混合式(hybrid)步进电动机。它是根据磁阻型的齿形结构进行小角度控制，又因为转子使用了永久磁铁，所以比磁阻型的效率要高。转子分N极转子和S极转子，是由一块永久磁铁将一个高磁性体一分为二形成的。两个转子的外缘也都加工许多小齿槽，同时它们的齿槽又都依次相差12齿。 定子也要加工相应的齿槽。通电时不同极性的两个转子的齿槽顶相互吸引，同极性的相互排斥。由于位移量是由齿顶和齿根的相对位置确定的，所以可以完成更精确的位移量控制。 一般情况下电动机的旋转速度都很高。但是作为动力驱动时，多数都采用齿轮箱减速机构(参见第40页)。如果把减速机构与电动机组合成一体，就是我们要讲的“齿轮”电动机了。 齿轮电动机需要合理的机械设计，包括适合转矩与转速配合的齿轮组计算、转矩的计算以及齿轮的负载强度计算等。这样就可以省去减速机构的设计环节了。 齿轮电动机多采用直齿轮和行星齿轮机构。为了使它应用得更加广泛，必须事先准备好多种减速比和尺寸的齿轮机构。 直齿轮组合型齿轮传动的作用力方向与电动机轴垂直。当机械需要大力矩输出时，施加在电动机上的径向作用力就得相应地增加更多，这时容易发生电动机振动，减少它的使用寿命。 行星齿轮机构是一种输出轴与电动机轴在同一直线上的减速机构。它是由多个齿轮互相咬合形成的。咬合的齿数越多，它传动作用力的效率就越高，同时多段组合起来还容易获得较大的减速比。另外，因为施加在电动机上的径向作用力几乎为零，所以电动机不需要多余的抗弯力。 还有一种齿轮电动机，因为使用的是蜗轮蜗杆机构，所以只用1段组合就能获得较大的减速比。又因为它的输出力矩与电动机轴垂直，所以很适合作汽车里的雨刷和自动窗电动机。另外，还有一种齿条齿轮型直线电动机。汽车内控制换气操作手柄动作的电动机就属于这一类。 需要低速输出时，如果使用一般的电动机就有可能出现转矩不足或齿槽效应(参见第58页)等不利于电动机稳定输出的现象。这里，介绍一种把几个齿轮组合起来形成电动机的减速机构。但是每多使用一个齿轮，传动的机械能就要相应地减少一部分，影响电动机的使用效率；还有，齿轮咬合时必然会产生机械噪声，齿轮的个数增多也会使电动机的重量变得很大。 作为开发产品，“直接传动”式电动机已经问世。这种电动机不需要减速齿轮就可能获得大的转矩输出，并具有低速稳定性能。它的旋转原理与无刷电动机大体相同，但是为了适合低速旋转，在结构上它的定子增加了更多的磁极数，从十极开始，甚至超过了二十极；为了获得大转矩输出，电动机的转子做成大直径扁平形、定子装配在大直径转子内部，这一点与普通的电动机的装配方式正好相反。 直接传动式电动机没有齿轮，它的整个装配部件的数量也都较少。由于装配紧凑，它有高效率、没有噪声、它的机械故障也少。最近洗衣机等家用电器都在使用这种电动机。 使用无齿轮直接传动式电动机还有一个理由，那就是精密仪器要求电动机的传动无误差。齿轮在咬合中必然会有间隙，那么产生机械摩擦的“嘎嗒声”就不可避免了；如果齿轮咬合中一点间隙都没有，电动机就转不了。为了使电动机能平滑地旋转，把间隙限制到最小是完全必要的。但是精密仪器对间隙的要求，恐怕要影响到电动机的正常旋转了。所以，要求高精度旋转时，只能使用直接传动式电动机，而不能使用齿轮电动机。 直接传动式电动机除了适用低转速一高转矩情况，它还适用于那些对转速精度要求较高的场合。因为它同时具有高转速一低转矩特性，而不用改变电动机的基本结构。这样电动机的尺寸就可以作得很小。 计算机用的磁盘驱动器和光驱传动电动机、VTR磁头转动电动机等都使用这种直接传动式电动机。能正确完成定位和速度控制的机器人使用这种电动机的例子也有。 手机(移动)电话接受信号时，为了不对周围环境产生影响，通过振动功能向携带者传递信号到达的信息。移动电话具有的这种振动功能主要是由小型直流电动机完成的。 普通电动机为了确保旋转的平滑性，在转弓等旋转装置的装配过程中，对于它们重心的平衡有着严格的要求。即使高速旋转也不会产生多大振动。如果使旋转装置偏离平衡位置，在重心不稳定的状态下旋动就有可能产生振动。所以，人为地改变电动机的装配重心，便可以得到所需要的振动功能。 具有振动功能的电动机，如果把它的转动轴装配成图中描述的那个样子，就可以使它们的重心偏移。电动机在这种状态下旋转时，因为重心偏离转轴，振动就产生了。移动，电话的振动功能就是把电动机的振动传送到电话外壳而使人们感知从而得知信息的到达。移动电话上使用的是长约10mm、直径在5mm以下超小型电动机。这其中还可以作成有直径为3mm的电动机。 同样，电动牙刷也采用了重心偏离产生振动的原理。把电动机的振动传递到牙刷，引起牙刷的往复动作。 手动刷牙的往复频率，即使是大人也不过在每分钟80下以内，而电动牙刷所产生的振动频率能达到每分钟3 0007 000下。所以，使用电动牙刷就可以在很短的时间内把牙齿刷得干干净净。 除了重心偏离的旋转能产生振动以外，还有另外一种振动器。它的原理是通过弹簧和磁铁沿重力方向作往复运动产生振动。 一般情况下，电动机是以旋动的形式提供动力的。但是，还有一种在平面上任意做直线运动的电动机。 广义上把做直线运动的电动机称为“直线”电动机。如果将产生磁场的线圈沿直线方向排列并按顺序依次切换线圈电流的通入，然后再在它的上面装设能够往复运动的永久磁铁或高磁性体，就可以构成直线电动机了。简单地说，把一个无刷电动机的定子沿直线展开就形成了直线电动机的定子、转子是一个上面装有能够左右移动称为“动子”的平板装置。 前面已经叙述过了，通过齿轮减速机构就能实现将电动机的旋转运动变为直线运动。但是这种方式很难达到所要求的控制精度和控制速度。在这一点上，使用直线电动机，就比较容易达到高精度定位和快速动作，因为它可以直接产生直线运动。 采用同一原理还能制造出“平面伺服电动机”，它是由动子在并列的平面线圈上自由移动形成的。通常使用的Xy绘图仪，就是采用电动机分别控制平面的x轴和y轴坐标。因为是直接在平面上划直线，而不是采用两直线运动的组合，所以高精度定位和快速控制都可实现。 如果把线路看作定子的展开，再用车身代替动子，就可以形成“直线电动机车：了。日本铁路现已投入使用的磁悬浮电机车，就属于这种直线电动机车。这类机车没有车轮，它是依靠磁铁把车体悬浮起来运行，其原理与直线电动机完全相同。无刷电动机在直线上展开就能形成直线电动机 音响装置等使用的都是类似的动态扬声器，它们的工作原理是由磁铁与线圈之间产生振动，再通过锥形纸发出声音。线圈装设在一个叉形磁化铁内，电流通入时，两磁铁相互作用使线圈产生运动。声音信号是一种很复杂的交流波。髓着这一信号的波动，线圈将作前后运动，再通过锥形纸的传递，在空气中产生振动，形成我们所能听到的声音。我们称这个线圈为“音圈”。 根据音频原理可以做成“音圈电动机”(VCM)。因为它的动作范围小，又由于接触部件少而引起的摩擦也小，所以它是那种响应速度和动作的敏感性能都好的电动机。 音圈电动机多用于驱动读写信息的磁头，例如计算机软硬盘、 CD-ROM、CD-R、DVD驱动器。除了驱动磁头，调