苏ICP备112451047180号-6
电动机和直流电动机
多功能电机
电动机是一种将电能转换为机械能的机械设备。电动机对现代生活极其重要，电动机被 广泛地应用在许多不同的地方，如真空吸尘器、洗碗机、电脑打印机、传真机、盒式录像机、机床、印刷机、汽车、地铁、污水处理厂及水泵站。
电动机运行的主要物理原理是安培定律和法拉第定律。安培定律指出：对于处在磁场中 的带电导体，如果流过导体的电流的某一分量与磁场成直角，那么该导体将受到力的作用。 将电流或磁场任意一个量反向，都将会产生作用方向相反的力。法拉第定律指出：如果导体 在磁场中运动，那么任何与磁场垂直的运动分量都会在导体两端产生电位差。
电动机由两个基本部分组成。第一部分被称为定子，由导磁材料和导线组成，用来产生 所需形状的磁场。第二部分被称为转子，同样由导磁材料和导线组成，用来产生某种形状的 磁场，该磁场与定子产生的磁场相互作用。转子为电动机中的运动部分，转子有一根转轴与 被驱动机械相连，并有一些装置维持转子与电动机外壳间的电气接触(通常是炭刷与滑环的 接触)。运行时，供给电动机的电流可以在转子和定子中产生磁场。这两个磁场的相互作用使 转子受到转矩作用，从而转动。根据电动机所加电源的类型，电动机分成两大类——直流电动机和交流电动机。
1821年麦克尔·法拉第在英国演示了第一台直流电动机。由于当时只有直流电源，所以 第一批商用电动机是直流电动机，并在19世纪80年代开始普及。这些直流电动机既可用在小功率场合，也可用于大功率场合，如市内电车。直到19世纪90年代，有了交流电能后，交流电动机才首先由威斯丁豪斯和通用电气公司共同研制出。
直流电动机
一个简单的直流电动机有一个可在磁场中旋转的线圈。线圈中的电流通过与滑环滑动连 接的两个电刷来提供。线圈处于稳定的磁场中。图2．2中施加在带电导线上的力在线圈上产生一个转矩。
长为￡且所带电流为i的导线在磁场强度为B的磁场中所受的力F等于圮B乘上B与f 间夹角的正弦值，如果磁场是均匀垂线，那么B与i夹角为90。。F的方向可由右手定则来判断，如图2．2(a)所示。图上所示的两个力F大小相等方向相反，但由于它们被垂直放置，故它们将产生一个转矩。(线圈另外两边的力作用在同一条水平线上，因而不会产生转矩)。
线圈也可被看成是一个磁偶极子或一个小电磁铁，如图2．2(b)中NS箭头所示：将你的右手顺着电流的方向卷起来，你的大拇指朝向为N极，如右图所示，把由转子线圈产生的
磁体看成一个永磁体，我们将会看到同样的转矩(N极吸引S极)。 我们来看一下滑环上电刷的作用。当旋转的线圈面到达水平位置时，电刷将断开连接(不会丢失什么能量，因为这是转矩为零的点——作用力的方向朝里)。线圈的角动量推动线圈越过这个断点，然后电流在相反的方向上流动，这使得转子磁极的方向反向。因而，过了断点后，转子继续逆时针转动并且两个力开始作用在一条直线上，但方向相反。
在一个周期中，产生的转矩随着两个力在垂直方向上分量改变而改变。因此转矩的大小取决于线圈轴线和磁场夹角的正弦值。然而，由于滑环的存在，转矩总是为同一个方向，图2．3就是转矩随时间的变化情况。
直流电动机的分类
直流电动机的应用比我们想象的更为普遍。一辆汽车上有多达20台直流电动机，用来驱动风扇、座椅和窗户。根据所使用的电路来分类，直流电动机可分为三种类型。在并励电动机中，电枢和励磁绕组并联，因此流过它们的电流是相互独立的。流过励磁绕组的电流可用励磁变阻器(可变电阻)控制，因此电动机可在很宽的范围内调速。这种类型的电动机用来驱动机床或风扇，因为它们都需要较宽的调速范围。
在串励电动机中，励磁绕组与电枢绕组串联，这就导致启动转矩非常高，因为启动时电枢电流和磁场强度都为最大值。然而，一旦电枢开始转动，反电动势会使电路中的电流减小，从而减小磁场强度。串励电动机用于需要大启动转矩的场合，如用在汽车启动电动机、起重机和升降机。 ．
复励电动机是串励和并励电动机的组合，它有并联励磁绕组和串联励磁绕组。这种电动机具有大启动转矩和很强的变速能力，被用于同时需要这两种特性的场合如冲床、传送带和电梯。
直流电动机的脉宽调制理论
直流电动机速度的控制是非常重要，它可以让你精确地驱动机器人，让它在你所希望的方向上运行。如果你的速度控制不够精确，那么你的机器人就可能会左右摆动甚至完全失去目标。
对于仅仅消耗几安培的小功率电动机，你可以通过在电动机中串联可变电阻来改变电流，从而改变电动机的速度。对于小电动机而言，最终在可变电阻中损耗的能量不会太大而且你也不必去处理发热大的问题。这种方法通常使用在小玩具模型中，因为这是最简单的速度控制方式。
当你开始使用堵转电流超过100A的电动机来驱动大型机器人时，一个串联可变电阻将会损耗大量能量。如果你不想它热的发红，那么你除了要一个非常小的电阻外，它还可能要一个大散热片。你同时还要损失热能，而这部分能量可以让你的机器人运行更长时间。对于这些应用场合，PWM电动机控制技术是一个很好的选择。
脉宽调制的占空比
一种更好的速度控制方法是将电动机的电源在通断问快速切换。电动机的速度与提供给电动机的平均电压成正比，所有只要你足够快地使电压通断，那么电动机仅能“看”到平均电压的作用效果。假定脉冲足够短且距离足够近，那么由于电动机电枢的重量和它的惯性作用，电动机的转速在每个脉冲的通断间将不会明显变化。要改变电动机的速度，如图2．28所示改变一个周期中通断的占空比就可。
在图2．28(a)中通的脉宽要比断的脉宽短得多，因此电动机将相对较慢地旋转。 为了提高电动机转速，你需要将接通与关断的时间比提高，从而增大平均电在图2．28(b)中这点是通过将通的脉宽加长同时将断的脉宽缩短来实现的。两个连续脉冲的起点的时间间隔保持不变，但是占空比改变了。
在图2．28(c)中，通脉冲的时问长度保持不变，但是断脉冲的时间长度缩短。结果提高了平均电压，但这也意味着它每秒中的脉冲个数要比图2．28(b)中多了。如果脉冲的频率足够低(小于20kHz)，那么电动机运行时你可能会听到电动机发出的嗡嗡声。这没关系，这只是电枢随着脉冲的变化而均匀的振动。这种效果你在现代列车可看到，当列车在运行时发出明显的嗡嗡声，这表明它们都是使用PWM作为速度控制方式的。相反，电阻降压调速的英国老式车门式列车，不会发出嗡嗡声，但是效率较低。