电机控制技术的发展及有刷直流电机工作原理

目录

1.电机技术发展历史及方向

1.1电机控制技术发展方向

2.有刷直流电机的工作原理和特征、驱动电路

​​​​​​​2.1有刷直流电机的结构和工作原理

​​​​​​​2.2有刷直流电机也是发电机

1.电机技术发展历史及方向

有近200年历史的电机技术是支撑人们生活和生产的重要基础

电机的原型发明于19世纪前半叶。

1821年迈克尔﹒法拉第发明的法拉第电机。

1832年英国科学家William Sturgeon发明了实用型换向器（有刷）式直流电机。

1837年美国托马斯﹒达文波特开发了可商用的换向器直流 电机。

近200年的历史的电机技术，结合微控技术的发展，电机技术有新的发展契机，特别是新能源汽车和机器人的技术的高速发展。

​​​​​​​1.1电机控制技术发展方向

电机控制技术虽然有200年的发展历史，但电能转换为机械能效率仍有很大的提升空间，电机控制的节能技术仍是一个重要的研究课题。

各种大家电：空调、冰箱、洗衣机、吸尘器、吸油烟机，由感应电机升级为无刷直流电机矢量控制技术，引入变频节能、无极调速等概念。但无刷直流电机成本相对较高，如何实现低成本是当前发展最重要方向之一。

电机技术在微控技术的加持下，已成为支撑人们生活和生产的战略技术。

2.有刷直流电机的工作原理和特征、驱动电路

有刷直流电机的结构简单，价格便宜，能产生强大的转矩（旋转力）。但是因为有碳刷这样的机械接触点，所以存在寿命短、产生噪声及灰尘的缺点。

有刷直流电机常用的一些对功耗要求不高的应用场景，比如儿童电动玩具、电动牙刷、电动剃须刀等。

​​​​​​​2.1有刷直流电机的结构和工作原理

有刷直流电机的标准结构有3个要求：

磁场：形成固定磁场的磁铁；（定子）

电枢：在固定磁场内旋转的磁铁；(转子）

换向器：根据电枢旋转来切换电流方向的机械开关。

有刷直流电机依靠磁场F和转子A的N极和S极产生的吸引力来旋转。

直流电机可根据转子的极数分为2极电机、3极电机，工业电机一般为7~9极电机。

 左右的永磁体定子形成固定磁场，中间的3极转子通过铁芯的绕线L1,L2,L3与碳刷B1,B2,B3的连接来形成电磁铁。

按上图所示说明有刷直流电机的工作原理：图（a）中，换向器与碳刷B1和B2接触，来自电池的电流按箭头方向流入线圈L1。根据安培右手螺旋定则，在铁芯上形成如图示的S极和N极。在固定磁场的作用下，转子进行顺时针旋转。然后转子转到图（b）所示位置。

同理，正极侧换向器和碳刷B3开始接触，L2仍为N极，线圈L3没有电流流入，相对于L1和L2的磁动势处于中立位置。在固定磁场的作用下，转子继续按顺时针旋转。

旋转至图（c）时，通过碳刷的替换，L2和L3上电流，L3为S极，L2为N极，L1相对为中立位置，继续按顺时针旋转。

当转子旋转到图（d）位置时，刚好和最初始的图（a）所示位置相差120 °，相当于

线圈L1→线圈L3

线圈L2→线圈L1

线圈L3→线圈L2

以120°的旋转为一个周期，不断按顺时针持续旋转下去，实现电能向机械能的转变。

​​​​​​​2.2有刷直流电机也是发电机

如下图示，有刷直流电机在外力的作用下高速旋转时，会在两个极片产生感生电动势。该感生电动势在电控驱动设计时需要考虑器件的最大耐压。