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直流电机的结构组成与原理,以及霍尔传感器在无刷电机中的应用

来源:华强商城 发布时间:2020-05-21

摘要: 无刷直流电机的工作原理本质上与有刷电机类似,有刷直流电机采用机械的电刷和换向器对绕组中的电流进行换向。而无刷电机采用电子方式对绕组电流换向。

  什么是直流电机?


  直流电机(direct current machine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。


  直流电机的组成结构有哪些?


  直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

  1.定子

  (1)主磁极


  主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。

  铁心一般用0.5mm~1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成,分为极身和极靴两部分,上面套励磁绕组的部分称为极身,下面扩宽的部分称为极靴,极靴宽于极身,既可以调整气隙中磁场的分布,又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成,套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上


  (2)换向极

  换向极的作用是改善换向,减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花,一般装在两个相邻主磁极之间,由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成,套在换向极铁心上,换向极的数目与主磁极相等。


  (3)机座

  电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个:

  一是用来固定主磁极、换向极和端盖,并起整个电机的支撑和固定作用;

  二是机座本身也是磁路的一部分,借以构成磁极之间磁的通路,磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能,一般为铸钢件或由钢板焊接而成。


  (4)电刷装置

  电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内,用弹簧压紧,使电刷与换向器之间有良好的滑动接触,刷握固定在刷杆上,刷杆装在圆环形的刷杆座上,相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上,圆周位置可以调整,调好以后加以固定。


  2.转子

  (1)电枢铁心


  电枢铁心是主磁路的主要部分,同时用以嵌放电枢绕组。

  一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成,以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽,槽内嵌放电枢绕组。


  (2)电枢绕组

  电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量变换的关键部件,所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成,线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成,不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中,线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外,槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。


  (3)换向器

  在直流电动机中,换向器配以电刷,能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流

  使电磁转矩的方向恒定不变;在直流发电机中,换向器配以电刷,能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体,换向片之间用云母片绝缘。


  (4)转轴

  转轴起转子旋转的支撑作用,需有一定的机械强度和刚度,一般用圆钢加工而成。


  直流电机的工作原理


  直流电机里边固定有环状永磁体,电流通过转子上的线圈产生安培力,当转子上的线圈与磁场平行时,再继续转受到的磁场方向将改变,因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触,从而线圈上的电流方向也改变,产生的洛伦兹力方向不变,所以电机能保持一个方向转动。

  直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势,

  靠换向器配合电刷的换向作用,使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

  感应电动势的方向按右手定则确定(磁感线指向手心,大拇指指向导体运动方向,其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向)。

  导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩,这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向,企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩(例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩),电枢就能按逆时针方向旋转起来。

霍尔传感器


  无刷直流电机的工作原理本质上与有刷电机类似,有刷直流电机采用机械的电刷和换向器对绕组中的电流进行换向。而无刷电机采用电子方式对绕组电流换向。


  直流电机中转矩是通过永磁体磁场和绕组中的电流相互作用产生的,在有刷电机中,换向器通过切换电枢绕组实现电枢电流的换向与合适的磁场。而无刷直流电机中,霍尔传感器探测转子旋转磁场的位置,通过逻辑与驱动电路,给相应的绕组激励。总的说来,绕组根据电机永磁体的磁场作出反应,从而产生需要的转矩。如图是一种三相8极(四对磁极)无刷直流电机基本组成:


  旋转的永磁体转过双极型数字霍尔传感器时,会使双极型数字霍尔传感器状态发生改变。如上图中8极磁体无刷直流电机中,每两个南极之间相隔90度,霍尔传感器相隔120度放置,此时霍尔传感器之间电角度相隔30度。南极靠近时,双极型数字霍尔传感器转换工作状态,当第一个数字霍尔传感器在0度电角度转为工作状态时,第二个数字霍尔传感器在30度电角度时工作,第三个数字霍尔传感器在60度电解时工作。


  当北极经过双极数字型霍尔传感器时,数字霍尔传感器会转为释放状态,旋转的8极磁体的每个北极与相邻的南极之间为45度,因此,数字霍尔传感器在磁体转过45度后,会由工作状态转为释放状态。如图为数字霍尔传感器控制的输出电平状态。


  上述三个双极型数字霍尔传感器的输出作为转子位置的编码器使用,将磁体的位置和极性信息作为信号发送给逻辑电路,用于开断H形桥式功率管,三相无刷直流电机典型驱动电路。


  图中R1,S1,T1可以由上述信号驱动,而R2,S2,T2由上述信号反相后驱动。这样,根据旋转磁体的位置,每对功率管会相应地开通或判断,从而以正确的顺序、在正确的时间为电机绕组提供电流。


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