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从工作电源区分电机的基础构造

2022-05-17 15:37:55 谭博文 阅读:
电机运用了电流的磁效应,不同的工作电源对应着不同的电机设计和驱动方式,也对应着不同的应用领域。

电机的基本原理:

当电流流经一根电线时,电线周围形成磁场,磁场强度取决于流经电线的电流的强度,磁场的方向取决于电流的方向。当形成环状电线可以加强电流产生的磁场。因为这种方式可以使磁感应线在环线内更加集中。常见的:将线圈绕在铁芯棒上来进一步加强,这样形成的线圈存在于所有的电机中。电流能产生磁场,反过来磁场也能产生电流,这一现象被称为电磁感应。如果一个线圈的磁场发生了变化,线圈中就会产生电压,从而产生电流,电流产生磁场,两个磁场便可以相互作用。PuFednc

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电机的主流大类:直流电机(DC motor):

由直流电驱动电池或使用外部电源为其供电,在设计最简单的直流电机中,定子是永磁体,转子是线圈。电流通过碳刷和一个换向器作用于转动的线圈,由于电流作用于线圈,线圈变成磁体。线圈转动以使自身的磁极与永磁体的极性保持一致,但在调至正确方向之前,换向器中电流的极性是相反的。因此,线圈继续朝着异性极转动,这就是线圈能够持续转动的原因。电机中通常会使用几个线圈,所以换向器也有几个电极,以保证电机的平稳工作。直流电机广泛应用于收录机,录像机,电吹风等设备。PuFednc

DC电机可分为有刷直流电机和无刷直流电机:PuFednc

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有刷直流电机PuFednc

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有刷电机目前主要应用于大多数电动自行车,碳刷的作用是让电源与中间的转子之间的电源导通,碳刷中通常会加入弹簧,避免接触不良的情况。早期的电机大多都是有刷电机,在使用过程中碳刷会逐渐磨损,这需要定时更换,磨损后产生的碳尘粒可能会造成短路。而且它产生的噪音很大。所以解决这些缺点,就有了无刷电机。PuFednc

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无刷直流电机PuFednc

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无刷直流电机的定子为直流通电线圈,转子换成了永磁材料(稀土合金磁铁:例如钕铁硼【NdFeB】);同时,转子的放置位置也出现了多样化:PuFednc

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无刷直流电机转子的3种类型PuFednc

(a):可将永磁体贴合放置在转子外周PuFednc

(b):将矩形永磁体嵌入转子的铁芯PuFednc

(c):将永磁体插入转子铁芯PuFednc

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无刷直流电机摒弃了机械的电刷装置,采用内置位置传感器外加电子换向器来实现换向。以霍尔传感器取代碳刷换向器,霍尔传感器可以检测到转子的南极和北极,然后输出特定的高电平或者低电平,将位置信息转化为电信号,最后,顺序地给定子绕组通电后定子就可以根据转子的位置而做出相应的运动,以推动电机的旋转。这样也能解决电刷磨损产生尘粒和噪声方面的问题。PuFednc

交流电机(AC motor):

生活当中的“传统电机”大多都是交流电机,例如洗衣机、吸尘器、风扇、空调等等。交流电机可分为同步电机和异步电机;同步电机中,不管负载大或小,转子的转速都与旋转磁场的转速相同,而异步电机的转速则取决于负载的大小。PuFednc

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交流电机构造图PuFednc

同步电机工作原理:

同步电机通过转子产生的恒定磁场与定子产生的旋转磁场相互作用来实现,转子与RMF(rotating magnetic field)的旋转速度保持一致,从而实现同步电机的转动。PuFednc

转速和频率的关系式为:Ns=120f/PPuFednc

从关系式可以看出同步电机的转速(Ns)完全取决于电流频率(f),成正比关系。这样就可以精准的控制电频率从而控制同步电机的转速!当纯电车驱动同步电机时:就可以通过控制使用的交流电的频率,来设置车辆的能达到的预期速度。对比无刷直流电机,同步电机的操作效率更高,使用寿命更长,而且几乎不产生噪音。PuFednc

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异步电机(感应电机):

感应电机由定子(线圈)和旋转的转子(磁性材料)组成。和同步电机类似,异步电机也是由定子线圈通入交流电,产生旋转磁场,使转子产生电流,并与定子保持相对运动,让电机产生力矩,这样就不需要在转子中安装永磁体。异步电机的功率会随负载变化而改变,而且会在摩擦力,铁芯,定子转子等方面产生部分功能损耗;满载时电机效率约为85%-97%,无负载时只有约20%的效率。PuFednc

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谭博文
EDN China Researcher
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