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为什么大部分产品使用的是有刷直流电机?

2021-07-15 14:41:44     来源:天孚微电机        

【哔哥哔特导读】有刷直流电机控制非常简单,连接直流电源,微型电机启动后旋转,不需要其他电子设备参与;如要反向旋转,将直流电源线对调即可;要调整转速,只需升高或降低电压。

微型电机的应用非常广,各种电动产品都少不了用到微型电机,在微型电机中,我们有无刷和有刷直流电机之分,而无刷电机的转速、使用寿命都超过有刷直流电机。

在微型电机应用中,大部分产品采用的还是微型有刷直流电机,如电动工具中的角磨机、电动螺丝刀等都是用的有刷直流电机,运行噪音较大、电刷也容易磨损,为何不采用更好的无刷电机呢?

对于电动工具而言,噪音的来源来自于工作噪音,而非电机,无刷电机成本高、控制器比较复杂并且出现故障后较难排除,所以还是选择成本较低的有刷直流电机,有刷直流电机控制简单而且价格比无刷电机要低得多,所以大多数厂家还是选择了有刷直流电机。

不要忽视微型有刷直流电机

从无刷直流电机的出现,有刷直流电机就开始没落,但有刷直流电机一直是低成本的可靠选择,有刷直流电机磁极方向跳转是通过固定位置的接触点来完成的,该接触点在微型电机转子上与电触点相对连接。固定触点一般是石墨制成,和其他的金属材料相比,石墨不会熔断或者与旋转触点焊接在一起,而且这个触点是弹簧承载的,能够持续地获得接触压力。

早在几十年前,有刷直流电机的优势变开始衰落,更多产品开始使用无刷电机,如磁盘驱动器、打印机等,无刷电机没有电刷磨损,所以不会引起电磁干扰,导致有刷直流电机使用量急剧下降。即使从有刷直流电机到无刷电机产生巨大的改变,但是无刷电机的成本太高了,在可以满足必要的性能、足够的可靠性的前提下,微型有刷直流电机仍然是很好的选择,如玩具汽车、按摩用品、美容用品等等。

基本上有刷直流电机不需要电子控制装置,只要在有刷直流电机与电源接上两根电缆开关即可,能降低大量成本。

有刷直流电机的工作依赖于定子与转子电磁场之间的相互作用,这些电磁场被控制,从而周期性的在定子和转子之间产生引力和斥力,产生旋转(所有电机都是如此)

有刷直流电机在其电枢上绕有大量的线圈,所产生强大的磁场与外部磁场相互作用产生旋转运动。

有刷直流电机控制非常简单,连接直流电源,微型电机启动后旋转,不需要其他电子设备参与;如要反向旋转,将直流电源线对调即可;要调整转速,只需升高或降低电压。

有刷直流电机在机壳有一对电刷,这对电刷通过换向器触点将施加的电流引到电枢线圈上,每个金属板覆盖近180°的电枢,微型电机运转时,电流、电刷、换向器金属板和两个微电机绕组之间电流回路每转半圈就会自动切换一次,所以有刷电机就无需外部控制器,能自身产生电枢旋转所需的旋转磁场。

有刷直流微电机电枢磁场与转子磁场的相互作用

微电机的转子磁场能通过微电机本身的固定线圈上产生,也能通过永磁体产生,转子转动时,磁场方向也要反转,才能使微电机保持旋转,由于线圈产生的磁场方向是不停切换的,并且被外部线圈或永磁体产生产生的磁场吸引或排斥。永磁体的使用范围仅限于微型电机,如电动玩具,在尺寸和重量都合理的情况下,磁体的强度并不足够大。但使用稀土材料的永磁体改变了这种情况,无论是微电机还是励磁线圈的设计都需要权衡尺寸、重量、控制因素。

这是一个简单版本的有刷直流电机,使用永磁体产生定子磁场,用回形针作为电刷,用小线圈作为电枢绕组线圈,通电后即可运行,所有的有刷直流电机都的结构都是简单而基本。

定子的励磁线圈配置

定子的励磁线圈有多种配置,最常见的配置是串联绕组,分流绕组和复合绕组(串联和分流的组合)。在串联绕组式电动机中,励磁线圈与电枢线圈(通过电刷)串联;在分流绕组式电动机中,励磁线圈与电枢线圈并联(“分流”是用于“并联”的另一种表述方式)。

在串联绕组结构中,励磁线圈S1-S2与电枢线圈A1-A2串联; 对于分流绕组,励磁线圈F1-F2与电枢线圈A1-A2并联; 对于复合方式,励磁线圈S1-S2串联,F1-F2与电枢线圈A1-A2并联。

每种布线方式都提供了不同的控制、速度性能以及扭矩,启动和运行转矩以及处理负载变化的能力。一些先进的设计对定子的励磁绕组和转子的电枢绕组使用独立的励磁控制,以获得更大的灵活性和更严格的控制。

虽然无刷电机的不少的优点,但是成本问题一直没有得到解决,如今的有刷直流电机性能正在逐渐提高,虽然微电机的设计方式有许多方面没有改变,但是任然有两个重要的发展:一是永磁体得到了广泛应用;二是IC与电子开关被用于线圈驱动和功能反馈。

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