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三種主要電機(jī)的實(shí)物結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用電路

發(fā)布時(shí)間:2023-06-02 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】雖然“電機(jī)的種類(lèi)”這幾個(gè)字說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單,但隨著技術(shù)的發(fā)展,電機(jī)已經(jīng)變得越來(lái)越多樣化,因此分類(lèi)方法也呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì),可以根據(jù)電源種類(lèi)、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理、電機(jī)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行分類(lèi)。


電機(jī)有哪些種類(lèi)?

雖然“電機(jī)的種類(lèi)”這幾個(gè)字說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單,但隨著技術(shù)的發(fā)展,電機(jī)已經(jīng)變得越來(lái)越多樣化,因此分類(lèi)方法也呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì),可以根據(jù)電源種類(lèi)、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理、電機(jī)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行分類(lèi)。

例如,當(dāng)我們根據(jù)[轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理] ? [電源] ? [結(jié)構(gòu)]進(jìn)行分類(lèi),就會(huì)得出如下圖所示的結(jié)果:


三種主要電機(jī)的實(shí)物結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用電路


如上圖所示,電機(jī)的種類(lèi)有很多,但方便用于電子制作的電機(jī)卻是有限的。 在本文中,將為您介紹適用于電子制作的三種主要電機(jī)及其應(yīng)用。

什么是有刷直流電機(jī)?

在電子制作中常用的電機(jī)是“有刷直流電機(jī)”。 不同的電機(jī)制造商對(duì)這種電機(jī)的叫法也有所不同,比如“DC電機(jī)”、“直流換向器電機(jī)”、“有刷電機(jī)”、“直流換向器電動(dòng)機(jī)”等各種名稱(chēng)。

有刷直流電機(jī)是一種簡(jiǎn)單易用的電機(jī),它無(wú)需準(zhǔn)備特別的電子電路來(lái)驅(qū)動(dòng),只要連接干電池等電源即可旋轉(zhuǎn)。 由于其易用性和低廉的價(jià)格,使其成為電子制作中使用率最高的電機(jī)。

它還可以通過(guò)PWM或被稱(chēng)為“電機(jī)驅(qū)動(dòng)器”的控制IC來(lái)調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度、設(shè)置旋轉(zhuǎn)方向并控制制動(dòng)等,因此還被廣泛用于無(wú)線(xiàn)電控制器和風(fēng)扇等應(yīng)用。


三種主要電機(jī)的實(shí)物結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用電路


圖中是有刷直流電機(jī)的典型控制方式——“H橋電路”。 可以通過(guò)四個(gè)開(kāi)關(guān)(實(shí)際上是晶體管或FET)的ON/OFF來(lái)操作電機(jī)①自由/②正轉(zhuǎn)/③反轉(zhuǎn)/④制動(dòng)。

雖然這種電機(jī)具有易用性的優(yōu)點(diǎn),但它也有一些缺點(diǎn)。 有刷直流電機(jī)的內(nèi)部具有被稱(chēng)為“電刷”的接觸體,如果電刷因旋轉(zhuǎn)引起的摩擦而嚴(yán)重磨損,電機(jī)將無(wú)法使用。轉(zhuǎn)幾個(gè)小時(shí)是沒(méi)有問(wèn)題的,但是如果持續(xù)使用,電刷就會(huì)磨損嚴(yán)重,就需要更換整個(gè)電機(jī),而且電機(jī)不能再重復(fù)使用。

此外,接觸體電刷產(chǎn)生的火花也是導(dǎo)致噪聲的原因之一,在某些情況下,有刷直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的異味也是很大的問(wèn)題,因此,在一些應(yīng)用場(chǎng)景中,必須考慮其他選項(xiàng)。

優(yōu)點(diǎn)

? 給電即可旋轉(zhuǎn)
? 價(jià)格低

缺點(diǎn)

? 電刷引起的問(wèn)題(壽命、噪聲、異味等)

什么是無(wú)刷直流電機(jī)?

“無(wú)刷直流電機(jī)”通過(guò)取消有刷直流電機(jī)的電刷,解決了電刷帶來(lái)的弊端。 通過(guò)去除電刷,取消了電機(jī)內(nèi)部的接觸體,減少了零部件數(shù)量,最終使電機(jī)在可維護(hù)性、重量、壽命、電機(jī)效率和高速旋轉(zhuǎn)等各個(gè)方面的性能都得到了提升,可以說(shuō)是一種劃時(shí)代的電機(jī)。這種電機(jī)不是給電就可以工作的,使用起來(lái)稍微有點(diǎn)麻煩,但其效率高,壽命長(zhǎng),因而常被用于電池供電的設(shè)備。

使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電子電路會(huì)始終監(jiān)測(cè)與輸出軸(曲軸)連接的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度,并根據(jù)角度隨時(shí)切換線(xiàn)圈的通電。 驅(qū)動(dòng)電路的作用對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)的控制非常重要。無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路需要很多電子元器件,包括位置檢測(cè)傳感器、多個(gè)功率晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)器、以及控制它們的微控制器等,因此對(duì)電路設(shè)計(jì)技巧和軟件知識(shí)要求很高。

近年來(lái),配備單片機(jī)控制IC或具有無(wú)刷直流電機(jī)控制功能的微控制器的無(wú)刷直流電機(jī)也越來(lái)越多,但總體而言,無(wú)刷直流電機(jī)的操作還是比有刷直流電機(jī)復(fù)雜。


三種主要電機(jī)的實(shí)物結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用電路


無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。 在該電路之外,還增加了位置檢測(cè)傳感器和用來(lái)檢測(cè)過(guò)電流的保護(hù)電路,使電路規(guī)模很大。

順便提一下,無(wú)刷直流電機(jī)的分類(lèi)比較復(fù)雜,由于電機(jī)本身是由逆變器產(chǎn)生的交流電驅(qū)動(dòng)的,所以可以考慮將其歸類(lèi)為“交流電機(jī)”,但貌似無(wú)刷直流電機(jī)多被歸類(lèi)為“直流電機(jī)”。

優(yōu)點(diǎn)

? 重量輕、壽命長(zhǎng)、電機(jī)效率好

缺點(diǎn)

? 價(jià)格貴、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜

什么是步進(jìn)電機(jī)?

“步進(jìn)電機(jī)”是可以控制旋轉(zhuǎn)角度的電機(jī)。 前面介紹的兩種電機(jī)都是用作長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力源,而步進(jìn)電機(jī)主要用于位置控制。

步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是,每施加一次脈沖信號(hào),輸出軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度。 這種每輸入一次脈沖信號(hào)而旋轉(zhuǎn)的角度稱(chēng)為“步距角”。例如,如果是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的話(huà),會(huì)每200個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)一圈,因此可以按照“施加100個(gè)脈沖使其旋轉(zhuǎn)半圈”、“每秒施加1000個(gè)脈沖,使其5轉(zhuǎn)/秒”等進(jìn)行控制,可以很靈活地控制其旋轉(zhuǎn)速度、方向和停止位置等。

由于即使在電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)其保持轉(zhuǎn)矩也會(huì)作用,因此步進(jìn)電機(jī)也被用于需要固定停止位置的應(yīng)用。

與伺服電機(jī)通過(guò)安裝在電機(jī)外部的伺服機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停止位置的方式不同,步進(jìn)電機(jī)通過(guò)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)控制位置,因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)。對(duì)于數(shù)控機(jī)床、3D打印機(jī)和機(jī)械臂等需要高精度位置控制的應(yīng)用而言,步進(jìn)電機(jī)已成為不可或缺的部件。

只需施加脈沖即可運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī),其驅(qū)動(dòng)電路是相對(duì)簡(jiǎn)單的。但是,如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩過(guò)大或轉(zhuǎn)速過(guò)快,就會(huì)出現(xiàn)失步(發(fā)送的脈沖數(shù)與旋轉(zhuǎn)角度不匹配)和噪聲等問(wèn)題,因此要想使其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),還是需要一定的機(jī)械設(shè)計(jì)技巧的。


三種主要電機(jī)的實(shí)物結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用電路


用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器IC。乍一看很復(fù)雜,不過(guò)其原理只是有刷直流電機(jī)的H橋電路的延伸而已。另外,它會(huì)處理脈沖信號(hào),因此很容易控制。

優(yōu)點(diǎn)

? 位置控制容易
? 具有保持轉(zhuǎn)矩
? 可靠性高

缺點(diǎn)

? 步進(jìn)式旋轉(zhuǎn),所以動(dòng)作不順暢
? 不適合長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)旋轉(zhuǎn)和高速旋轉(zhuǎn)


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