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直流电机的工作原理是什么?未来的电动车都会用直流电机吗?

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发表于 2020-12-1 21:40:23 | 显示全部楼层 |阅读模式

说起直流电机,其实我们每个人,每天都在用。

是吗?

别惊讶,是的。

手机,我们每天都在用,有消息或者有电话时,手机就开始振动。

这个振动就是用直流电机来实现的。

当然,直流电机在其他领域中也有很多应用。

最典型的就是在汽车上的应用,比如电动车窗,雨刮,还有混合电动车上的驱动电机等。

当然,我们设计上,有时也用到直流有刷电机,因为控制简单,成本低。

ERM-vibration-motor new.gif

偏心轮式手机振动电机工作示意图

Linear-Vibraiton-Motors new.gif

硬币式手机振动电机工作示意图

dc-vibration-motor电脑裁剪.png

偏心轮式手机振动电机爆炸图

振动电机.jpg

硬币式和圆柱式手机振动电机爆炸图

混合电动车的布局.png

直流电机在混合电动车上的应用

BLDC used in Aether Scooters.gif

无刷直流电机在电动车上的应用

DC Brushed Motor雨刮应用.png

直流有刷电机在雨刮系统中的应用

雨刮电机的结构.jpg

雨刮电机示意图

那么,直流电机的工作原理是什么?

1.直流和交流电机的分类

谈到直流,其实这里隐藏着电机的一种分类方法。

就是按照工作电流的不同,分为直流电机和交流电机。

直流电机,就是用直流电驱动的电机,而交流电机则是用交流电来驱动的电机。

电机的基本分类.png

电机的基本分类

从性能来看,直流和交流的主要区别在于对速度的控制上。

直流电机的速度正比于电压,而交流电机的速度正比于频率及磁极数。

直流和交流都可以应用于伺服系统,但是交流电机可以承受更高的电流,所以工业应用中,常见的伺服电机是交流伺服电机。

所谓伺服,其实和电机的类型和结构没有关系,只要有反馈,形成闭环控制,就是伺服系统。

这个反馈可以是基于位置,速度,扭矩等模式。而电机可以是任何类型的电机,比如步进电机,还有今天要说的直流有刷电机,直流无刷电机,以及我打算以后有机会聊聊的交流伺服电机和感应电机,直驱电机等,都可以作为伺服电机,只要有反馈配置。

当然,更进一步,直流电机又可以分为直流有刷和直流无刷电机。

这里先上两张图,好对这两种电机有个基本的感知。

img_00011_01en电脑图片软件裁剪的.png

有刷直流电机的结构

img_00018_01en.jpg

无刷直流电机的结构

  

根据励磁方式的不同,直流有刷电机,又可以分为单独励磁直流电机,自励磁直流电机和永磁电机。

励磁就是定子线圈通电,产生吸引转子的磁场。

自励磁直流电机,根据绕线方式的不同,还可以继续分为:串联励磁电机,并联励磁电机和复合励磁电机(串联和并联)。

几种不同励磁方式的直流电机(图片未上传,因为数量已达到上限)

几种直流电机的速度扭矩曲线图,只有永磁式直流电机是一条直线(图片未上传,因为数量已达到上限)

2.有刷直流电机的工作原理

好了,上面我们了解了直流电机的应用,也看完了分类。

那么,接下来可以说说直流电机的工作原理了。

这里先从最简单的有刷电机说起。

这个很简单,上两张动画一看就明白了。

DC-Motor-Diagram.gif

有刷直流电机工作示意图

直流有刷电机(Brushed DC Motor),定子是用永磁铁或者线圈做成,以形成固定磁场。

在定子一端上有固定碳刷,或者铜刷,负责把外部电流引入转子线圈。

而转子是由线圈构成,线圈连接轴端的换相器(Commutator),外部电流通过碳刷和换相器,到达转子线圈。

当线圈通电,产生磁场,这个磁场被永磁铁吸引,促使转子转动,转过一定角度后,转子线圈通过机械换相器和碳刷改变电流方向,从而改变磁场方向,保证转子连续转动。

有刷电机使用机械换相器,优点是结构简单,价格低廉,可以提供较高的扭矩,缺点是容易磨损,无法用于洁净室,而且寿命有限,需要定期维护。

3.无刷直流电机的工作原理

我们再来看看无刷直流电机的工作原理。

还是先上一张动画,先有个感知。

Brushless-DC-Motor-GIF-2.gif

无刷直流电机工作示意图

大多数无刷直流电机(Brushless DC Motor=BLDC),定子都是线圈组,而转子则是磁铁组。

所以不需要用刷子把电流引到定子上,这就是无刷的来历。

其运动原理也是磁场相吸,或者磁场互斥。

无刷直流电机和有刷直流电机的主要区别在于,无刷电机电流的大小和方向是直接通过控制器来改变的。

通常,定子有三组绕线,和控制电路相连,控制电路通过霍尔传感器得知转轴的位置,以此来判断接下来哪几相需要通电。

控制系统不停地改变通电相,并改变电流大小,来实现不同扭矩的控制。

正因为无刷电机是通过电子换相,所以可靠性更高,运行更安静,效率也更高。

通常无刷电机可以做得很小,并且拥有高扭矩重量比,当然,因为需要使用传感器和控制器,成本也随之升高。

OK,上面我们粗略地了解了一下无刷直流电机。

那么下面,我们再来仔细看一下,控制器是如何通过霍尔传感器的状态来改变输入相的。

霍尔传感器在直流无刷电机中的应用.png

无刷直流电机简化的结构示意图,端面上有三个霍尔传感器(Hall Sensor),转子转动,形成变化的磁场,传感器感应这个磁场,每个传感器可以输出0或者1,所以3个传感器可以输出110,101等3位数的不同组合,这些组合代表转子的不同位置。注意3号霍尔传感器在1号和2号之间。

如上图,转子是用永磁铁做成,转子转动,3个霍尔传感器被触发或者断开,感应转子的位置,然后把位置信息告诉控制器,控制器以此来决定下一步哪些线圈通电,哪些不通电,简言之就是实现电子换相(Electrical Commutation)。

所以,这里的霍尔传感器起到沟通的作用,而这一点在有刷直流电机中,是用物理碳刷和机械换相器相互配合才得以实现。

那么,让我们再具体一点,来看看三个霍尔传感器是如何感应转子的位置,然后告诉电机换相并实现连续旋转的。

三相霍尔传感器式伺服电机(图片未上传,因为数量已达到上限)

如上图,一个磁极可以同时覆盖两个霍尔传感器,图中时刻,1号霍尔对准S极,而2号和3号霍尔对准N极,如果S极触发霍尔,N极熄灭霍尔,那么上图霍尔状态可以表示100位置。

我们再来看看更细节的情况,如下图。

DC无刷换相示意图.png

使电机顺时针转动:霍尔状态和线圈通电次序的关系,转子上S极附近有个小黑点,用来表示转子的转动方向。

驱动器一次给两组线圈通电,另一组线圈不通电。

按照惯例,电流流入的线圈在定子上产生北极磁场N,电流流出的线圈则在定子上产生南极磁场S。

现在,想要实现顺时针旋转,如何使用霍尔状态,来切换线圈通电次序和通电方向?

举例说明吧,比如霍尔感应是100状态,也就是上面的第一张图时,那么这个时候告诉驱动器接通AB相,且电流从B相流入,A相流出。这样B线圈组形成N极,A线圈组形成S极。线圈N极和与其正对的转子N极相互排斥,并且吸引和它较近的转子S极,而线圈S极,则吸引转子N极,实现顺时针转动。

同理,可以推导其他霍尔状态时,线圈应该如何通电。

最后就形成如上图所示的6个霍尔状态,以及在此状态下线圈应该从哪个线圈流入,从哪个线圈流出的顺序图。

上面这个图理解起来有点儿复杂。

如果把霍尔时序和绕组通电顺序及方向,画在一张图上,就是下面这幅图,这个理解起来要轻松一点。

基于霍尔状态,来进行电子换相,实现顺时针旋转(图片未上传,因为数量已达到上限)

理解了这两幅图,也就理解了无刷直流电机的工作原理,甚至是伺服电机的工作原理。

4.未来电动车都会用直流电机吗?

好了,上面的原理部分,我们可以找时间慢慢弄懂。

现在,我们回到标题中的问题,未来的电动车都会用直流电机吗?

纯电动车布局(图片未上传,因为数量已达到上限)

纯电动车使用感应电机驱动和制动(图片未上传,因为数量已达到上限)

其实现在,混合电动车还是被无刷直流电机主宰,而纯电动车则被感应电机主宰(关于感应电机,以后有机会我们再聊,今天就不喧宾夺主了)。

感应电机在纯电动车上的普及使用,还是有它的优势的。

第一,感应电机的效率>=直流电机。

感应电机在与智能逆变器一起使用时,可以优化磁损耗和传导损耗,从而优化效率。

使用无刷直流电机时,随着机器尺寸的增加,磁损耗成比例增加,效率下降。使用感应电机,随着机器尺寸的增加,损耗不一定会增加。

尽管感应电机峰值效率略低于无刷直流电机,但平均效率实际上可能更好。

第二,成本方面,感应电机优于无刷直流电机。

永磁体很贵,大约每公斤50美元。另外,永磁(PM)转子也很难处理,因为磁性太强,当任何铁磁靠近它时,都有很强大的吸引力。

感应电机的磁场可调,虽然需要逆变器和更复杂的控制,但是成本似乎更低。

那么未来的情况呢?

这很难说,看科技的发展吧。

如果我可以预测未来,那该多好!

你说呢?


相关阅读:

霍尔传感器的原理是什么?有哪些应用?有什么优缺点?

(本篇未发布在本论坛,仅发布在我公众号:罗罗日记,需要了解的,可以关注并查阅)


步进电机的原理是什么?它有哪3种运行模式?如何防止丢步?

http://www.cmiw.cn/thread-1022549-1-1.html


旋转编码器的原理是什么?增量式编码器和绝对式编码器有什么区别?

http://www.cmiw.cn/thread-1017911-1-1.html

光栅尺的原理是什么?怎么选择?供应商都没讲明白,6年了我第一次听懂

http://www.cmiw.cn/thread-985670-1-1.html

电动车参考观点:


Induction Versus DC Brushless Motors

https://www.tesla.com/blog/induction-versus-dc-brushless-motors


AC Induction motor. Why?

https://forums.tesla.com/discussion/23036/ac-induction-motor-why


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匿名  发表于 1970-1-1 08:00:00
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发表于 2020-12-2 08:33:35 | 显示全部楼层
好东西
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发表于 2020-12-2 09:48:04 | 显示全部楼层
好好研究一下
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发表于 2020-12-2 09:48:55 | 显示全部楼层
学习了
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发表于 2020-12-2 09:54:19 | 显示全部楼层
又学习了一遍电机知识。

点评

感谢支持  发表于 2020-12-3 12:37
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发表于 2020-12-2 12:35:53 | 显示全部楼层
配的那个霍尔式感应图,第二张貌似就错了,第二张不是应该110吗?S代表触通为1,N表示断开表示为0
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 楼主| 发表于 2020-12-3 12:36:56 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2020-12-3 12:37:07 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2020-12-3 12:37:18 | 显示全部楼层
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