直流與交流電機(jī)的原理

 

直流電機(jī)憑借碳刷及整流環(huán)來改變旋轉(zhuǎn)電樞（rotating armature）內(nèi)電流及磁場電極的方向，內(nèi)轉(zhuǎn)子與固定式永磁的相互作用將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動。

 

據(jù)maxon電機(jī)透露，直流電機(jī)受限于電刷系統(tǒng)，使用壽命為1000-1500小時，若在極端負(fù)載下，將不足100小時。在工況條件較好的情況下，部分電機(jī)的運(yùn)行壽命或?qū)⑦_(dá)到1.5萬小時。此外，高速旋轉(zhuǎn)則受限于整流，通常最大每分鐘轉(zhuǎn)速接近1萬次（RPM）。

 

直流電機(jī)的有效率（efficiency rate）較高，但存在一定的比損耗（specific losses），導(dǎo)致失效（lose efficiency）的因素包括：繞組的初始阻力（initial resistance）、電刷摩擦及渦流損耗（eddy-current losses）。

 

交流感應(yīng)電機(jī)（AC induction motors）則采用了一系列繞組，并受控于交流輸入電壓，并由其產(chǎn)生定子磁場（stator field），進(jìn)而在產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場。而同步電機(jī)（synchronous motor）則是另一種交流電機(jī)，其運(yùn)行時的電源頻率（supply frequency）精度高。當(dāng)電流通過滑環(huán)（slip ring）或永磁體時，將產(chǎn)生磁場。同步電機(jī)的運(yùn)行速度比感應(yīng)電機(jī)快，后者的速度受限于異步電機(jī)（asynchronous motor）的滑環(huán)。

 

交流電機(jī)則意味著該設(shè)備的運(yùn)行數(shù)值將與性能曲線上某個特定點相對應(yīng)，該曲線與電機(jī)的峰值效率（peak efficiency）將保持一致。若未按照該點對應(yīng)的數(shù)值運(yùn)行，那么電機(jī)的效率將大幅下挫。交流電機(jī)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生磁場，該過程將導(dǎo)致額外的耗能。所以，交流電機(jī)的效率不如直流電機(jī)。事實上，直流電機(jī)的效率要比交流電機(jī)高30%以上，因為永磁體將產(chǎn)生次生磁場（secondary magnetic field）。

上圖對比了電子整流電機(jī)、三相感應(yīng)交流電機(jī)（three-phase induction AC motor）、單相交流感應(yīng)電機(jī)及罩極電動機(jī)（shaded pole motor）的電機(jī)效率。

直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)-0基礎(chǔ)一個月學(xué)會51單片機(jī)第1季第12部分

 

電子整流電機(jī)的簡介及優(yōu)勢

 

電子整流電機(jī)是一種受控于外部電子器件的無刷直流電機(jī)，該電子器件可能是電子線路板，也可能是變頻器（variable-frequency drive）。機(jī)械整流（mechanical commutation）的執(zhí)行有賴于電子回路（electronic circuitry），線路板可改變固定式繞組（fixed winding）的相位，確保電機(jī)轉(zhuǎn)動，可提供適量的電樞電流（armature current）。若在精準(zhǔn)的時間段內(nèi)向正確的方向傳輸電流，可實現(xiàn)較高的精度。由于電極的轉(zhuǎn)速受控于外部電子器件，電子整流電機(jī)不存在同步轉(zhuǎn)速（synchronous speed）受限的情況。

 

電子整流電機(jī)具有以下優(yōu)勢：由于該類電機(jī)無電刷，不會產(chǎn)生火星或因電刷緣故導(dǎo)致電機(jī)使用壽命縮短，且不會浪費(fèi)能量，因為其采用電子器件來控制定子，其性能及可控性較好。相較于感應(yīng)電機(jī)，其運(yùn)行溫度較低。電機(jī)尺寸越小，越能節(jié)省空間，當(dāng)制造商采用外轉(zhuǎn)子（external rotor）時，甚至能節(jié)省更多的空間。

 

若采用電子整流電機(jī)，動力分配也更為清潔。無刷直流電機(jī)靠單獨(dú)的直流電源驅(qū)動，交流電機(jī)的電源會產(chǎn)生額外的成本，且設(shè)計更為復(fù)雜。電子整流電機(jī)可直接與交流主電源相連，但其并不完全依賴于電壓或頻率，小幅的電壓變動不會影響電機(jī)輸出。

　　

 

若將電子整流電機(jī)與交流罩極電機(jī)或固定分相電容器式交流電動機(jī)（AC permanent-split capacitor motor）進(jìn)行比對，則會發(fā)現(xiàn)：罩極電機(jī)的效率范圍（efficiency range）在15%-25%，固定分相電容器式交流電動機(jī)（permanent-split capacitors，PCS）的范圍在30%-50%，而電子整流電機(jī)的效率范圍在60%-75%。

 

電子整流電機(jī)可用于低功率輸出的應(yīng)用中，如：小型風(fēng)機(jī)、伺服電機(jī)、動作控制技術(shù)系統(tǒng)（motion-control systems）。目前正嘗試新方法，將該類電機(jī)應(yīng)用到傳送帶及冷凝機(jī)組（condenser units）等大功率輸出設(shè)備。

 

在控制速度方面，電子整流電機(jī)擁有多速控制功能，速度控制器是其標(biāo)配件。交流電機(jī)也提供多數(shù)控制功能，并提供外置速度控制器選配件。外部控制器可調(diào)整交流電機(jī)的變壓器一次電壓（incoming voltage），可變更正弦波，會使電機(jī)的使用壽命受影響，并導(dǎo)致噪音增多。

 

對電子整流電機(jī)而言，整流電路的脈寬調(diào)制（pulse-width modulation）為4-20 mA，電壓為0-10 V，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在10%-100%的范圍內(nèi)。只需采用集成電路，就能完成對電子整流電機(jī)的監(jiān)控，設(shè)計師可提供對應(yīng)的反饋信息。電子整流電機(jī)還可提供軟啟動（soft start），且噪聲及電機(jī)溫度較低。