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了解直流電機的運行模式和調速技術

  直流電機是一種普遍存在的機器,廣泛應用于各種電子設備中。通常,這些馬達被部署在需要某種形式的旋轉或運動產生控制的設備中。直流電機是許多電氣工程項目中必不可少的部件。對直流電機的運行和電動機的調速有很好的了解,使工程師能夠設計出更有效的運動控制的應用程序。

  像交流電動機一樣,直流電機也把電能轉換成機械能,它們的工作原理與產生電流的直流發電機相反。與交流電機不同,直流電機使用直流電源-非正弦單向電源。

  雖然直流電動機的設計方式多種多樣,但它們都包含以下基本部件:轉子(機器旋轉的部分;也稱為“電樞”)、定子(勵磁繞組,或電動機的“靜止”部分)、換向器(可以有刷或無刷,取決于電機類型)、磁場磁鐵(提供使連接到轉子的軸轉動的磁場)。實際上,直流電機的工作原理是由旋轉電樞產生的磁場與定子或固定部件的磁場之間的相互作用。

  直流電機的工作原理是法拉第電磁學原理,即載流導體在磁場中受力。根據弗萊明的“電動機左手定律”,導體的運動方向總是垂直于電流和磁場的方向。從數學上講,我們可以把這個力表示為F=BIL(其中F是力,B是磁場,I代表電流,L是導體的長度)。

  直流電機類型:直流電機根據其結構分為不同的類別,最常見的類型包括有刷或無刷、永磁、串聯和并聯。

  有刷無刷電機:有刷直流電動機利用一對石墨或碳刷來傳導或輸送電樞電流。這些電刷通常放在離換向器很近的地方。電刷在直流電動機中的其他有用功能包括確保無火花運行、控制旋轉時的電流方向以及保持換向器清潔。

直流電機

  無刷直流電機不含碳刷或石墨刷。它們通常包含一個或多個圍繞固定電樞旋轉的永磁體。代替電刷,無刷直流電機利用電子電路來控制旋轉方向和速度。

  永磁電機:永磁電機由一個轉子組成,轉子周圍有兩個相反的永磁體。當直流電通過時,磁鐵提供磁場磁通量,這會導致轉子順時針或逆時針旋轉,這取決于極性。這種電機的一個主要優點是它可以以恒定頻率的同步速度運行,從而實現最佳的速度調節。

  串勵直流電機:串聯電機的定子(通常由銅棒制成)繞組和勵磁繞組(銅線圈)串聯。因此,電樞電流和磁場電流相等。高電流直接從電源流入磁場繞組,磁場繞組比并聯電機更厚、更少。磁場繞組的厚度增加了電動機的承載能力,同時也產生了強大的磁場,使串聯直流電動機具有非常高的轉矩。

  并聯直流電機:并聯直流電機的電樞和勵磁繞組并聯。由于并聯,兩個繞組接收相同的電源電壓,盡管它們是分開勵磁的。并聯電機的繞組匝數通常比串聯電機多,串聯電機在運行過程中會產生強大的磁場。并聯電機可以有良好的速度調節,即使在不同的負載。然而,它們通常缺乏串聯電機的高起動轉矩。

  直流電機速度控制:在串聯直流電動機中實現調速的主要方法有三種:磁通控制、電壓控制和電樞電阻控制。

  1、通量控制法:在磁通控制方法中,變阻器(一種可變電阻器)與勵磁繞組串聯。該元件的作用是增加繞組中的串聯電阻,從而降低磁通,從而提高電動機的速度。

  2、電壓調節法:變量調節法通常用于并聯直流電動機。同樣,有兩種方法可以實現電壓調節控制:在向電樞提供不同電壓時,將并聯磁場連接到固定勵磁電壓(也稱為多電壓控制)改變提供給電樞的電壓。

  3、電樞電阻控制方法:電樞電阻控制基于電機速度與反電動勢成正比的原理。因此,如果電源電壓和電樞電阻保持恒定值,電機的速度將與電樞電流成正比。


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