電機(jī)的種類

電機(jī)簡單劃分為：交流電機(jī)與直流電機(jī)，直流電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用時(shí)稱之為直流發(fā)電機(jī)。微型直流電機(jī)可以通過改變直流電壓來改變轉(zhuǎn)速，應(yīng)用場景非常多，這種控制轉(zhuǎn)速方法極為簡單，所以使用率是非常高的。

上圖中，電流沿箭頭方向流動(dòng)，線圈上為S極，下為N極，根據(jù)異性相吸、同性相斥的原理，電樞逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，磁極就會(huì)變換，即S極變成N極，N極變成S極，使電樞繼續(xù)朝逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

三相異步電機(jī)的工作原理

如上圖所示，以時(shí)間相位互差120°的三相交流電，向空間相位互差120°的三相線圈通，0°時(shí)產(chǎn)生磁通量的方向如箭頭所示，U相最大（設(shè)為1.0），V相和W相各為-0.5。60°時(shí)，W相為-1.0，U相和V相各為+0.5。

三相電流隨著時(shí)間從0°漸漸變化為60°時(shí)，磁通量變化如圖（d），順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了60°。如此反復(fù)，磁通量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，便產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。

另外，U相線圈、V相線圈、W相線圈按照順時(shí)針方向排列，圖（a）所示的U、V、W相應(yīng)通電可產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場。如果按照逆時(shí)針方向排列，則可產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場。

也就是說，如果更改三相異步電動(dòng)機(jī)三相線圈中兩相的順序，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也會(huì)隨著改變。

同步電機(jī)與直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的原理相似

同步電機(jī)與異步電機(jī)均隨著旋轉(zhuǎn)磁場而轉(zhuǎn)動(dòng)。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子受到旋轉(zhuǎn)磁場N極和S極的吸引而轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場相同。也就是說，同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的原理與直流電機(jī)類似。

異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的原理

鼠籠式線圈切割旋轉(zhuǎn)磁場，鼠籠式線圈中通過電流，異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩輸出的前提條件是通電鼠籠式線圈切割磁感線，而轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不存在磁感線切割，因此無法輸出轉(zhuǎn)矩。

直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

磁體固定+線圈旋轉(zhuǎn)+電刷：直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是由磁場（永磁體）磁通量與電樞電流間的電磁力作用產(chǎn)生。磁體位于定子上，線圈（電樞）則排布在轉(zhuǎn)子上。電刷可使電流通過線圈，換向器則可保證轉(zhuǎn)矩持續(xù)輸出。

直流電機(jī)的類別

直流電機(jī)采用直流電源，通過勵(lì)磁線圈（直流線圈）而非永磁體產(chǎn)生磁場。此種類型的電機(jī)大致分為三類：

1）他勵(lì)電機(jī)：電樞線圈與勵(lì)磁線圈分開供電；

2）并勵(lì)電機(jī)：電樞線圈與勵(lì)磁線圈并聯(lián)，由同一電源供電；

3）串勵(lì)電機(jī)：電樞線圈與勵(lì)磁線圈串聯(lián)，二者電流相同。

直流電機(jī)特性的基本公式

電機(jī)端子電壓V：

V=E+RaIa

式中，E為反電動(dòng)勢；Ia為電樞電流；Ra為電樞線圈電抗與電刷接觸電阻之和。另外，反電動(dòng)勢E和轉(zhuǎn)矩τ的計(jì)算方法如下

E=K1nΦ

τ=K2ΦIa

式中，K1和K2為比例常數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；Φ為每極的磁通量（Wb）。由式（1）和式（2）可得出轉(zhuǎn)速

n：n=（V?RaIa）/K1Φ

電機(jī)的機(jī)械功率

P（W）：P=ωτ

式中，角速度ω=2πn(rad/s)

轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

包含永磁式他勵(lì)直流電機(jī)，縱軸表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩，橫軸表示轉(zhuǎn)速，控制電樞電流保持恒定，便如下圖

這里提到的基底轉(zhuǎn)速指的是，額定轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速升高，電壓一定，功率達(dá)到最大值的速度。達(dá)到基底轉(zhuǎn)速前，可得到最大轉(zhuǎn)矩。另外，電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于基底轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速上升而下降。

基底轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

大于基底轉(zhuǎn)速時(shí)，端子電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定電壓，接著在較弱磁場作用下，轉(zhuǎn)速升高。永磁電機(jī)不容易形成弱磁場，僅有恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)這一特性。磁通量一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩與電樞電流成比例關(guān)系。控制電樞電流便可控制轉(zhuǎn)矩。磁通量減半，轉(zhuǎn)矩也減半。，端子電壓與電樞電流恒定時(shí)，轉(zhuǎn)速變?yōu)?倍，電機(jī)功率是恒定的。

并勵(lì)直流電機(jī)的基本特性

與他勵(lì)電機(jī)相同并勵(lì)電機(jī)與他勵(lì)電機(jī)基本相同。設(shè)計(jì)控制電路時(shí)應(yīng)避免勵(lì)磁線圈和電樞線圈控制系統(tǒng)的相互干涉。

串勵(lì)直流電機(jī)的基本特性

電樞電流=線圈電流

如下圖所示，串勵(lì)電機(jī)中勵(lì)磁線圈與電樞線圈的電流相同，所以不能像他勵(lì)或并勵(lì)電機(jī)那樣，獨(dú)立控制各部分的線圈電流。圖中表示的是串勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。串勵(lì)電機(jī)只可控制一個(gè)電壓，不同電壓下的特征表現(xiàn)如圖所示。

如何選擇電機(jī)？

選擇直流有刷電機(jī)：電機(jī)和控制裝置有分別購買和成套的情況，如果是分別獲取的，推薦直流有刷電機(jī)。如果選用交流PM電機(jī)（永磁電機(jī)），或者異步電機(jī)，則需要另行制作或者購買逆變器。另外，控制方面還通常需要向量控制理論和電機(jī)常數(shù)方面的知識(shí)，要么有電子工程學(xué)的專業(yè)人員，要么有專業(yè)組織的援助，否則會(huì)格外困難。永磁直流電機(jī)沒有勵(lì)磁回路，只要單獨(dú)控制電樞電流就能控制轉(zhuǎn)矩，使用斷路器或電阻控制電壓，就能簡單實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。直流電機(jī)控制相對比較簡單且入門難度低。

需要注意的電機(jī)規(guī)格：電機(jī)規(guī)格存在額定值和最大值，因此檢查過電流承受能力和最大轉(zhuǎn)速及最大電壓尤為重要。在比賽中電流和電壓在額定值以內(nèi)的情況較少，并可能相當(dāng)頻繁地超過額定值使用，因此事前研究即使超過何種程度，電機(jī)和控制裝置也不會(huì)損壞是非常重要的。直流電機(jī)的換向器不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，只要機(jī)器不損壞，就能按照相當(dāng)?shù)乃俣群凸β市旭偂?/span>

使用勵(lì)磁繞組電機(jī)的注意事項(xiàng)

勵(lì)磁繞組電機(jī)盡管能夠控制勵(lì)磁繞組電流，但通常勵(lì)磁電流的控制方式與永磁電機(jī)控制方式相同。不過，由于勵(lì)磁繞組電流能夠控制，增大勵(lì)磁電流時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢會(huì)變大，能量會(huì)返回到電池里，因此可再生。另外，永磁直流電機(jī)的反電動(dòng)勢無法變大，所以實(shí)現(xiàn)再生需要使用再生斷路器等。

使用串勵(lì)電機(jī)時(shí)的注意事項(xiàng)

串勵(lì)電機(jī)的控制系統(tǒng)跟永磁直流電機(jī)相同，由于其特性是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常大，所以電機(jī)的加速性能優(yōu)越。但是空轉(zhuǎn)時(shí)非常危險(xiǎn)，所以在進(jìn)行電機(jī)單體測試需要注意。并且，它也像永磁直流電機(jī)一樣，需要設(shè)計(jì)電路才能實(shí)現(xiàn)再生。