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了解直流电机的运行模式和调速技术

  直流电机是一种普遍存在的机器,广泛应用于各种电子设备中。通常,这些马达被部署在需要某种形式的旋转或运动产生控制的设备中。直流电机是许多电气工程项目中必不可少的部件。对直流电机的运行和电动机的调速有很好的了解,使工程师能够设计出更有效的运动控制的应用程序。

  像交流电动机一样,直流电机也把电能转换成机械能,它们的工作原理与产生电流的直流发电机相反。与交流电机不同,直流电机使用直流电源-非正弦单向电源。

  虽然直流电动机的设计方式多种多样,但它们都包含以下基本部件:转子(机器旋转的部分;也称为“电枢”)、定子(励磁绕组,或电动机的“静止”部分)、换向器(可以有刷或无刷,取决于电机类型)、磁场磁铁(提供使连接到转子的轴转动的磁场)。实际上,直流电机的工作原理是由旋转电枢产生的磁场与定子或固定部件的磁场之间的相互作用。

  直流电机的工作原理是法拉第电磁学原理,即载流导体在磁场中受力。根据弗莱明的“电动机左手定律”,导体的运动方向总是垂直于电流和磁场的方向。从数学上讲,我们可以把这个力表示为F=BIL(其中F是力,B是磁场,I代表电流,L是导体的长度)。

  直流电机类型:直流电机根据其结构分为不同的类别,最常见的类型包括有刷或无刷、永磁、串联和并联。

  有刷无刷电机:有刷直流电动机利用一对石墨或碳刷来传导或输送电枢电流。这些电刷通常放在离换向器很近的地方。电刷在直流电动机中的其他有用功能包括确保无火花运行、控制旋转时的电流方向以及保持换向器清洁。

直流电机

  无刷直流电机不含碳刷或石墨刷。它们通常包含一个或多个围绕固定电枢旋转的永磁体。代替电刷,无刷直流电机利用电子电路来控制旋转方向和速度。

  永磁电机:永磁电机由一个转子组成,转子周围有两个相反的永磁体。当直流电通过时,磁铁提供磁场磁通量,这会导致转子顺时针或逆时针旋转,这取决于极性。这种电机的一个主要优点是它可以以恒定频率的同步速度运行,从而实现最佳的速度调节。

  串励直流电机:串联电机的定子(通常由铜棒制成)绕组和励磁绕组(铜线圈)串联。因此,电枢电流和磁场电流相等。高电流直接从电源流入磁场绕组,磁场绕组比并联电机更厚、更少。磁场绕组的厚度增加了电动机的承载能力,同时也产生了强大的磁场,使串联直流电动机具有非常高的转矩。

  并联直流电机:并联直流电机的电枢和励磁绕组并联。由于并联,两个绕组接收相同的电源电压,尽管它们是分开励磁的。并联电机的绕组匝数通常比串联电机多,串联电机在运行过程中会产生强大的磁场。并联电机可以有良好的速度调节,即使在不同的负载。然而,它们通常缺乏串联电机的高起动转矩。

  直流电机速度控制:在串联直流电动机中实现调速的主要方法有三种:磁通控制、电压控制和电枢电阻控制。

  1、通量控制法:在磁通控制方法中,变阻器(一种可变电阻器)与励磁绕组串联。该元件的作用是增加绕组中的串联电阻,从而降低磁通,从而提高电动机的速度。

  2、电压调节法:变量调节法通常用于并联直流电动机。同样,有两种方法可以实现电压调节控制:在向电枢提供不同电压时,将并联磁场连接到固定励磁电压(也称为多电压控制)改变提供给电枢的电压。

  3、电枢电阻控制方法:电枢电阻控制基于电机速度与反电动势成正比的原理。因此,如果电源电压和电枢电阻保持恒定值,电机的速度将与电枢电流成正比。