知識分享：?微型電機知識匯總

電機的種類(lèi)

電機簡(jiǎn)單劃分為：交流電機與直流電機，直流電機作為發(fā)電機使用時(shí)稱(chēng)之為直流發(fā)電機。微型直流電機可以通過(guò)改變直流電壓來(lái)改變轉速，應用場(chǎng)景非常多，這種控制轉速方法極為簡(jiǎn)單，所以使用率是非常高的。

上圖中，電流沿箭頭方向流動(dòng)，線(xiàn)圈上為S極，下為N極，根據異性相吸、同性相斥的原理，電樞逆時(shí)針轉動(dòng)，當電樞旋轉90°時(shí)，磁極就會(huì )變換，即S極變成N極，N極變成S極，使電樞繼續朝逆時(shí)針轉動(dòng)。

三相異步電機的工作原理

如上圖所示，以時(shí)間相位互差120°的三相交流電，向空間相位互差120°的三相線(xiàn)圈通，0°時(shí)產(chǎn)生磁通量的方向如箭頭所示，U相最大（設為1.0），V相和W相各為-0.5。60°時(shí)，W相為-1.0，U相和V相各為+0.5。

三相電流隨著(zhù)時(shí)間從0°漸漸變化為60°時(shí)，磁通量變化如圖（d），順時(shí)針?lè )较蛐D了60°。如此反復，磁通量順時(shí)針旋轉，便產(chǎn)生了旋轉磁場(chǎng)。

另外，U相線(xiàn)圈、V相線(xiàn)圈、W相線(xiàn)圈按照順時(shí)針?lè )较蚺帕?，圖（a）所示的U、V、W相應通電可產(chǎn)生順時(shí)針轉動(dòng)的旋轉磁場(chǎng)。如果按照逆時(shí)針?lè )较蚺帕?，則可產(chǎn)生逆時(shí)針轉動(dòng)的旋轉磁場(chǎng)。

也就是說(shuō)，如果更改三相異步電動(dòng)機三相線(xiàn)圈中兩相的順序，旋轉磁場(chǎng)的轉動(dòng)方向也會(huì )隨著(zhù)改變。

同步電機與直流電機輸出轉矩的原理相似

同步電機與異步電機均隨著(zhù)旋轉磁場(chǎng)而轉動(dòng)。同步電機的轉子受到旋轉磁場(chǎng)N極和S極的吸引而轉動(dòng)，其轉速與旋轉磁場(chǎng)相同。也就是說(shuō)，同步電機轉矩輸出的原理與直流電機類(lèi)似。

異步電機輸出轉矩的原理

鼠籠式線(xiàn)圈切割旋轉磁場(chǎng)，鼠籠式線(xiàn)圈中通過(guò)電流，異步電機輸出轉矩。這種轉矩輸出的前提條件是通電鼠籠式線(xiàn)圈切割磁感線(xiàn)，而轉子與旋轉磁場(chǎng)同步轉動(dòng)時(shí)不存在磁感線(xiàn)切割，因此無(wú)法輸出轉矩。

直流電機的基本結構

磁體固定+線(xiàn)圈旋轉+電刷：直流電機的輸出轉矩是由磁場(chǎng)（永磁體）磁通量與電樞電流間的電磁力作用產(chǎn)生。磁體位于定子上，線(xiàn)圈（電樞）則排布在轉子上。電刷可使電流通過(guò)線(xiàn)圈，換向器則可保證轉矩持續輸出。

直流電機的類(lèi)別

直流電機采用直流電源，通過(guò)勵磁線(xiàn)圈（直流線(xiàn)圈）而非永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)。此種類(lèi)型的電機大致分為三類(lèi)：

1）他勵電機：電樞線(xiàn)圈與勵磁線(xiàn)圈分開(kāi)供電；

2）并勵電機：電樞線(xiàn)圈與勵磁線(xiàn)圈并聯(lián)，由同一電源供電；

3）串勵電機：電樞線(xiàn)圈與勵磁線(xiàn)圈串聯(lián)，二者電流相同。

直流電機特性的基本公式

電機端子電壓V：

V=E+RaIa

式中，E為反電動(dòng)勢；Ia為電樞電流；Ra為電樞線(xiàn)圈電抗與電刷接觸電阻之和。另外，反電動(dòng)勢E和轉矩τ的計算方法如下

E=K1nΦ

τ=K2ΦIa

式中，K1和K2為比例常數；n為轉速；Φ為每極的磁通量（Wb）。由式（1）和式（2）可得出轉速

n：n=（V?RaIa）/K1Φ

電機的機械功率

P（W）：P=ωτ

式中，角速度ω=2πn(rad/s)

轉矩和轉速的關(guān)系

包含永磁式他勵直流電機，縱軸表示電機轉矩，橫軸表示轉速，控制電樞電流保持恒定，便如下圖

這里提到的基底轉速指的是，額定轉矩下轉速升高，電壓一定，功率達到最大值的速度。達到基底轉速前，可得到最大轉矩。另外，電機的轉速大于基底轉速時(shí)，轉矩隨著(zhù)轉速上升而下降。

基底轉速與轉矩的關(guān)系

大于基底轉速時(shí)，端子電壓遠遠低于額定電壓，接著(zhù)在較弱磁場(chǎng)作用下，轉速升高。永磁電機不容易形成弱磁場(chǎng)，僅有恒轉矩驅動(dòng)這一特性。磁通量一定時(shí)，轉矩與電樞電流成比例關(guān)系?？刂齐姌须娏鞅憧煽刂妻D矩。磁通量減半，轉矩也減半。，端子電壓與電樞電流恒定時(shí)，轉速變?yōu)?倍，電機功率是恒定的。

并勵直流電機的基本特性

與他勵電機相同并勵電機與他勵電機基本相同。設計控制電路時(shí)應避免勵磁線(xiàn)圈和電樞線(xiàn)圈控制系統的相互干涉。

串勵直流電機的基本特性

電樞電流=線(xiàn)圈電流

如下圖所示，串勵電機中勵磁線(xiàn)圈與電樞線(xiàn)圈的電流相同，所以不能像他勵或并勵電機那樣，獨立控制各部分的線(xiàn)圈電流。圖中表示的是串勵電機轉速與轉矩的關(guān)系。串勵電機只可控制一個(gè)電壓，不同電壓下的特征表現如圖所示。

如何選擇電機？

選擇直流有刷電機：電機和控制裝置有分別購買(mǎi)和成套的情況，如果是分別獲取的，推薦直流有刷電機。如果選用交流PM電機（永磁電機），或者異步電機，則需要另行制作或者購買(mǎi)逆變器。另外，控制方面還通常需要向量控制理論和電機常數方面的知識，要么有電子工程學(xué)的專(zhuān)業(yè)人員，要么有專(zhuān)業(yè)組織的援助，否則會(huì )格外困難。永磁直流電機沒(méi)有勵磁回路，只要單獨控制電樞電流就能控制轉矩，使用斷路器或電阻控制電壓，就能簡(jiǎn)單實(shí)現轉矩控制。直流電機控制相對比較簡(jiǎn)單且入門(mén)難度低。

需要注意的電機規格：電機規格存在額定值和最大值，因此檢查過(guò)電流承受能力和最大轉速及最大電壓尤為重要。在比賽中電流和電壓在額定值以?xún)鹊那闆r較少，并可能相當頻繁地超過(guò)額定值使用，因此事前研究即使超過(guò)何種程度，電機和控制裝置也不會(huì )損壞是非常重要的。直流電機的換向器不會(huì )發(fā)生閃絡(luò )，只要機器不損壞，就能按照相當的速度和功率行駛。

使用勵磁繞組電機的注意事項

勵磁繞組電機盡管能夠控制勵磁繞組電流，但通常勵磁電流的控制方式與永磁電機控制方式相同。不過(guò)，由于勵磁繞組電流能夠控制，增大勵磁電流時(shí)，電機的反電動(dòng)勢會(huì )變大，能量會(huì )返回到電池里，因此可再生。另外，永磁直流電機的反電動(dòng)勢無(wú)法變大，所以實(shí)現再生需要使用再生斷路器等。

使用串勵電機時(shí)的注意事項

串勵電機的控制系統跟永磁直流電機相同，由于其特性是啟動(dòng)轉矩非常大，所以電機的加速性能優(yōu)越。但是空轉時(shí)非常危險，所以在進(jìn)行電機單體測試需要注意。并且，它也像永磁直流電機一樣，需要設計電路才能實(shí)現再生。