直流與交流電機的原理

 

直流電機憑借碳刷及整流環(huán)來(lái)改變旋轉電樞（rotating armature）內電流及磁場(chǎng)電極的方向，內轉子與固定式永磁的相互作用將導致電機轉動(dòng)。

 

據maxon電機透露，直流電機受限于電刷系統，使用壽命為1000-1500小時(shí)，若在極端負載下，將不足100小時(shí)。在工況條件較好的情況下，部分電機的運行壽命或將達到1.5萬(wàn)小時(shí)。此外，高速旋轉則受限于整流，通常最大每分鐘轉速接近1萬(wàn)次（RPM）。

 

直流電機的有效率（efficiency rate）較高，但存在一定的比損耗（specific losses），導致失效（lose efficiency）的因素包括：繞組的初始阻力（initial resistance）、電刷摩擦及渦流損耗（eddy-current losses）。

 

交流感應電機（AC induction motors）則采用了一系列繞組，并受控于交流輸入電壓，并由其產(chǎn)生定子磁場(chǎng)（stator field），進(jìn)而在產(chǎn)生轉子磁場(chǎng)。而同步電機（synchronous motor）則是另一種交流電機，其運行時(shí)的電源頻率（supply frequency）精度高。當電流通過(guò)滑環(huán)（slip ring）或永磁體時(shí)，將產(chǎn)生磁場(chǎng)。同步電機的運行速度比感應電機快，后者的速度受限于異步電機（asynchronous motor）的滑環(huán)。

 

交流電機則意味著(zhù)該設備的運行數值將與性能曲線(xiàn)上某個(gè)特定點(diǎn)相對應，該曲線(xiàn)與電機的峰值效率（peak efficiency）將保持一致。若未按照該點(diǎn)對應的數值運行，那么電機的效率將大幅下挫。交流電機在轉子上產(chǎn)生感應電流，進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)，該過(guò)程將導致額外的耗能。所以，交流電機的效率不如直流電機。事實(shí)上，直流電機的效率要比交流電機高30%以上，因為永磁體將產(chǎn)生次生磁場(chǎng)（secondary magnetic field）。

上圖對比了電子整流電機、三相感應交流電機（three-phase induction AC motor）、單相交流感應電機及罩極電動(dòng)機（shaded pole motor）的電機效率。

直流電機和步進(jìn)電機-0基礎一個(gè)月學(xué)會(huì )51單片機第1季第12部分

 

電子整流電機的簡(jiǎn)介及優(yōu)勢

 

電子整流電機是一種受控于外部電子器件的無(wú)刷直流電機，該電子器件可能是電子線(xiàn)路板，也可能是變頻器（variable-frequency drive）。機械整流（mechanical commutation）的執行有賴(lài)于電子回路（electronic circuitry），線(xiàn)路板可改變固定式繞組（fixed winding）的相位，確保電機轉動(dòng)，可提供適量的電樞電流（armature current）。若在精準的時(shí)間段內向正確的方向傳輸電流，可實(shí)現較高的精度。由于電極的轉速受控于外部電子器件，電子整流電機不存在同步轉速（synchronous speed）受限的情況。

 

電子整流電機具有以下優(yōu)勢：由于該類(lèi)電機無(wú)電刷，不會(huì )產(chǎn)生火星或因電刷緣故導致電機使用壽命縮短，且不會(huì )浪費能量，因為其采用電子器件來(lái)控制定子，其性能及可控性較好。相較于感應電機，其運行溫度較低。電機尺寸越小，越能節省空間，當制造商采用外轉子（external rotor）時(shí)，甚至能節省更多的空間。

 

若采用電子整流電機，動(dòng)力分配也更為清潔。無(wú)刷直流電機靠單獨的直流電源驅動(dòng)，交流電機的電源會(huì )產(chǎn)生額外的成本，且設計更為復雜。電子整流電機可直接與交流主電源相連，但其并不完全依賴(lài)于電壓或頻率，小幅的電壓變動(dòng)不會(huì )影響電機輸出。

　　

 

若將電子整流電機與交流罩極電機或固定分相電容器式交流電動(dòng)機（AC permanent-split capacitor motor）進(jìn)行比對，則會(huì )發(fā)現：罩極電機的效率范圍（efficiency range）在15%-25%，固定分相電容器式交流電動(dòng)機（permanent-split capacitors，PCS）的范圍在30%-50%，而電子整流電機的效率范圍在60%-75%。

 

電子整流電機可用于低功率輸出的應用中，如：小型風(fēng)機、伺服電機、動(dòng)作控制技術(shù)系統（motion-control systems）。目前正嘗試新方法，將該類(lèi)電機應用到傳送帶及冷凝機組（condenser units）等大功率輸出設備。

 

在控制速度方面，電子整流電機擁有多速控制功能，速度控制器是其標配件。交流電機也提供多數控制功能，并提供外置速度控制器選配件。外部控制器可調整交流電機的變壓器一次電壓（incoming voltage），可變更正弦波，會(huì )使電機的使用壽命受影響，并導致噪音增多。

 

對電子整流電機而言，整流電路的脈寬調制（pulse-width modulation）為4-20 mA，電壓為0-10 V，將電機的轉速控制在10%-100%的范圍內。只需采用集成電路，就能完成對電子整流電機的監控，設計師可提供對應的反饋信息。電子整流電機還可提供軟啟動(dòng)（soft start），且噪聲及電機溫度較低。