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世界上功率消耗量的近一半是由電機消耗,因此在解決世界能源問題上,電機的高效率化被稱為是最有效的措施。
一般情況下指將磁場內(nèi)電流流通產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)動作,在廣義范圍內(nèi)還包括直線動作。
按電機驅(qū)動的電源種類,可分為DC電機和AC電機。而 根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)原理,大致可分為以下幾種。(特殊電機除外)
首先,為了便于后續(xù)電機原理說明,我們來回顧一下有關(guān)電流、磁場和力的基本定律/法則。雖然有一種懷舊的感覺,但如果平時不常使用磁性元器件,就很容易忘記這些知識。
我們結(jié)合圖片和公式來說明。
當導線框為矩形時,要考慮到作用在電流上的力。
作用于邊a、c部分的力F為
產(chǎn)生以中心軸為心軸的轉(zhuǎn)矩。
例如,當考慮到旋轉(zhuǎn)角度僅為θ的狀態(tài)時,與b和d成直角作用的力為sinθ,因此a部分的轉(zhuǎn)矩Ta由以下公式表示:
以相同的方式考慮c部分,則轉(zhuǎn)矩加倍,并生成由以下公式計算出來的轉(zhuǎn)矩:
由于矩形的面積為S=h?l,因此將其代入上述公式可得出以下結(jié)果:
該公式不僅適用于矩形,也適用于圓形等其他常見形狀。電機就是利用了該原理。
在帶旋轉(zhuǎn)軸的永久磁鐵周圍,①旋轉(zhuǎn)磁鐵(使產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場),②則根據(jù) N極與S極異極相吸、同級相斥原理,③帶旋轉(zhuǎn)軸的磁鐵將旋轉(zhuǎn)。
這就是電機旋轉(zhuǎn)的基本原理。
導線中流過電流使其周圍產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(磁力)從而磁鐵旋轉(zhuǎn),實際上與此是一樣的動作狀態(tài)。
另外,將導線繞成線圈狀,則磁力被合成,形成大的磁場通量(磁通量),產(chǎn)生N極和S極。
另外,在線圈狀導線中插入鐵芯,磁力線變得容易通過,能產(chǎn)生更強的磁力。
在此,作為旋轉(zhuǎn)電機的實際方法,介紹利用三相交流和線圈制造旋轉(zhuǎn)磁場的方法。
(三相交流是間隔120°相位的交流信號)
上述①狀態(tài)下的合成磁場對應下圖①。
上述②狀態(tài)下的合成磁場對應下圖②。
上述③狀態(tài)下的合成磁場對應下圖③。
如上所述,纏繞鐵芯的線圈分三相,間隔120°配置U相線圈、V相線圈、W相線圈,電壓高的線圈產(chǎn)生N極,電壓低的線圈產(chǎn)生S極。
各相位按正弦波變化,因此各線圈產(chǎn)生的極性(N極、S極)和其磁場(磁力)將發(fā)生變化。
此時,單看產(chǎn)生N極的線圈,按U相線圈→V相線圈→W相線圈→U相線圈依次變化,從而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
下圖中給出了步進電機、有刷直流(DC)電機、無刷直流(DC)電機這三種電機的大概構(gòu)造和對比。這些電機的基本組成部件主要為線圈、磁鐵和轉(zhuǎn)子,另外由于種類不同,又分線圈固定型和磁鐵固定型。
以下為與示例圖相關(guān)的結(jié)構(gòu)說明。由于更細致地劃分的話,還可能存在其他結(jié)構(gòu),因此請理解本文中介紹的是大框架下的結(jié)構(gòu)。
這里的步進電機的線圈在外側(cè)固定,磁鐵在內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。
這里的有刷直流電機的磁鐵在外側(cè)固定,線圈在內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。由電刷和換向器(commutator)負責向線圈供電和改變電流方向。
這里的無刷電機的線圈在外側(cè)固定,磁鐵在內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。
由于馬達電機種類不同,即使基本組成部件相同其結(jié)構(gòu)也有不同。具體將在各部分進行詳細說明。
下面是經(jīng)常在模型中使用的有刷直流電機的外觀,以及普通的兩極(2個磁體)三槽(3個線圈)型電機的分解示意圖。也許很多人都有拆卸電機、拿出磁鐵的經(jīng)驗。
可以看到有刷直流電機的永磁體是固定的,有刷直流電機的線圈可以繞內(nèi)部中心旋轉(zhuǎn)。固定側(cè)稱為“定子”,旋轉(zhuǎn)側(cè)稱為“轉(zhuǎn)子”。
以下是表示結(jié)構(gòu)概念的結(jié)構(gòu)簡圖。
旋轉(zhuǎn)中心軸的外圍有三個換向器(用于電流切換的彎曲金屬片)。為了避免彼此接觸,換向器之間間隔120°(360°÷3枚)配置。換向器隨著軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。
一個換向器連接有一個線圈端和另一個線圈端,并且三個換向器和三個線圈作為電路網(wǎng)形成一個整體(環(huán)形)。
兩個電刷被固定在0°和180°處,以便與換向器接觸。外部直流電源與電刷相連接,電流按電刷→換向器→線圈→電刷的路徑流動。
① 從初始狀態(tài)逆時針旋轉(zhuǎn)
線圈A在最上方,將電源連接到電刷,設(shè)左側(cè)為(+),右側(cè)為(-)。大電流從左電刷通過換向器流到線圈A。這是線圈A的上部(外側(cè))變?yōu)镾極的結(jié)構(gòu)。
而由于線圈A的電流的1/2從左電刷流向線圈B和線圈C的方向與線圈A相反,因此線圈B和線圈C的外側(cè)變?yōu)槿鮊極(在圖中用略小字母表示)。
這些線圈中產(chǎn)生的磁場以及磁體的排斥和吸引作用使線圈受到逆時針旋轉(zhuǎn)的力。
② 進一步逆時針旋轉(zhuǎn)
接下來,假設(shè)在線圈A逆時針旋轉(zhuǎn)30°的狀態(tài)下,右電刷與兩個換向器接觸。