俗话说,“林子大了,什么鸟也有”,成员多了, 团伙组织的割据也是错综复杂,有按吃饭的种类分的(直流和交流电机), 有按出来茬架是齐步走还是随意蹚分的(同步和异步电机),有按一言不合动拳头还是眼神放电瞪死你分的(电动机和发电机),有按自己的腿型(转子)是长腿欧巴还是罗圈短腿分的(绕线式和鼠笼式电机),有按是否自带音响或背景音乐buff分的(永磁电机),有按出来砍人是一斧子买卖还是小锤子削你分的(驱动用电机和控制用电机)等等等等。总而言之,不能出(kan)力(ren)的电机不是好电机。


首先登场的一伙儿帮派,它们拥有悠久的历史传统,是1834年一个叫雅可比的小伙儿创造出来的,也是人类历史上第一台电机,算是电机家族的祖先了。尽管它们有被新兴帮派(交流电机)取代之势,但是凭着它们启动劲头大,易于控制,依然奔波在伟大家族复兴事业的第一线!没错,它们就是我们在大学电机学教材里唯一还能看懂一点的东西,直~流~电~机!




这是直流电机很常见的一个原理图,两块电磁铁(没画绕组哈)作为定子形成一个定向磁场,中间是转子铁芯(没画铁芯哈)缠绕一个线圈作为励磁绕组,励磁绕组上挂着一个换向器,换向器通过电刷和电池的正负极相连形成一个闭合的回路,一个直流电机就这样诞~生~了。


话说这玩意儿是怎么转起来的呢???那就要用到江湖中久已盛名的秘技“左手判力,右手判磁”的左~右~互~搏~术....


不是,是左、右手定则啦。接下来跟着小神一起修炼:药~药~切克闹~伸出你的左手~四手指完全展开~掌心朝向磁场方向~四指指向电流方向~大拇指就是~受力的方向!!!怎么样?小神是不是又让你回到了初中课堂的感觉,经过左手定则判断完线圈的受力方向,我们就知道电池一旦供电,励磁线圈(转子)两边就会产生一对大小相等,方向相反的力,,这对“力”就产生了传说中的“电磁转矩”,那么励磁线圈就会在这个力矩(转矩)的驱使下朝着逆时针方向旋转,在这里,小神在多科普一点东西(不要嫌我啰嗦,我不轻易写公式):


力矩 = 力 × 力臂


其实高大上的说法是作用力与径向矢量的叉乘,为了不让小伙伴们喷小神,小神就不解释这个普遍性的说法了。就是凡是能让一个物体旋转的力,这个力所产生圆周运动的切向分力乘以这个圆周运动的半径就是力矩。哎,这样说应该60%的小伙伴可以理解了,没办法,谁让咱们大学以前接触的物理都是将有棱有角的物体压缩成质点,然后在研究外力合力,一直到大学里面有个叫理论力学的东西把质点变成刚体,才系统研究了物体的旋转运动等等......


好了,小神不装了,咱们接着唠,当励磁线圈转过90°后,就变成了与磁场垂直的方向,这个时候根据左手定则,两侧线圈的力都变成了向外的力,转矩为0,但由于此时有速度,根据牛顿第一定律(还装!!!),呵呵,就是惯性,线圈会继续旋转,这时因为换向器和电刷之间的“摩擦摩擦,我的滑板鞋”,线圈转过90°后的电流方向突然变了,可是力矩的方向仍然没有变,于是,励磁线圈(转子)就会旋转~换向~旋转~换向这样不停的转下去,一直到电池耗尽为止,这就是直流电机运动的基本原理。


不少细心的小伙伴会发现,虽然励磁线圈能勉勉强强转一圈,但是每一圈都经历了从失落(0转矩)到巅峰(最大转矩)的剧烈反差啊!转矩不稳啊有木有!其实,上述的线圈是单极对的,真实的直流电机是酱紫的。





这是多极对数的直流电机,转一圈的转矩瞬间平滑了不少啊有木有!线圈的受力均匀了很多有木有!


上面的示意图,定子产生的磁场画的都是磁铁(一种叫钕铁硼永磁体),其实大部分直流电机定子也是绕着厚厚的线圈,通过电流产生的N-S极磁场,如果定子线圈和励磁线圈用的电池不是一个源头,就是传说中的他励直流电机;如用同一个电源供电,并且组合方式是电路中的“并联”,就是并励直流电机,“串联”就是串励直流电机,其它的,诸如什么积复励和差复励这些不常用的组合方式就不扯了,换汤不换药。


然而,直流电机是如何控制的呢?


小神以他励直流电机为例。扯了半天直流电机的原理,我们发现了其实我们能控制的量只有两个,通电给励磁线圈的电压(励磁电压)和用来做定子的电磁铁电压(电枢电压)。我们想得到的量也是两个,即励磁线圈(转子)的转速和转矩,如果用做发电用途,则已知和求解正好相反,不过他励直流电机很少会这样用....(至于为什么,我发电你还得必须让我给励磁线圈通电,这不赔本买卖吗?


首先,我们肯定想要让励磁线圈的绕组产生最大的磁场,这样转起来才够劲。怎么解决呢?小伙伴们就会说,使劲给电压,可是磁场饱和了怎么办,总得有个度吧,好了,小神要进行公式轰炸了,放心,我会温柔的虐待你!


励磁磁链 = 励磁电流 × 励磁线圈的电感


励磁电压 = 励磁电流 × 绕组电阻 + 励磁磁链的变化率


通过这两个简单的公式,小伙伴们对励磁绕组回路的电路关系就完全明白了,电机在恒定转速旋转时,励磁电流不会变化,把励磁磁链的变化率删掉,公式看起来就更简单了(用于直流电机的稳态分析)。至于定子的端电压(电枢电压)则可以拆解成这样:


电枢电流×电阻 + 绕组电感分压(稳态分析消掉) + 转子产生的反电势 + 电刷“摩擦摩擦”的损耗(约占1%,省略掉);


好了,这两个神奇的分解是不是把控制直流电机的原理讲解的很清楚啦......

“啊!!跟转速和转矩有毛关系啊!!!!!!!“

别鸡动,咱们继续上菜。

转子反电势 = 反电势常数 × 励磁磁链 ×转速

电磁转矩 = 转矩常数 × 励磁磁链 × 电枢电流


这下总明白了把,是不是终于把两个求解量(转速和转矩)和两个已知量(励磁电压和电枢电压)给联系起来了,这就是经常所说的,定子电流和电磁转矩是成正比的原因。以上四个公式就是直流电机控制的基本精髓。


But,看清楚是“基本”两个字,实际控制中,存在着一个很恶心很抽象的东西,叫做“电枢反应”,如果把转子所产生的磁场叫做主磁场,那么如果定子(电枢)电流足够大,所产生的定子磁场会对主磁场进行干扰,导致一半去磁,一半增磁的现象,这就是传说中的磁场畸变,会导致换向时不干脆,拖拉带扯,换向片火花乱溅,短路现象产生。因此,会在有些电机上装了换向电极和补偿绕组来抵消这种“电枢反应”。


总而言之,直流电机这帮团伙凭着简单粗暴的本领也风光了几十年,但是越来越感到力不从心,机械换向的“摩擦摩擦”是有损耗的,时不时还得修一修(维护保养),跑得快了(高转速)还得考虑换向片能不能承受的住,转子和定子用的都是电磁铁,意味着能量消耗和电流产生的铜耗都是double,而且结构复杂,工艺要求较高,最最重要的是,满大街都是猪肉饭馆(交流供电),还得专门给你找清真餐厅(整流成直流)。因此,虽然你那很硬、很线性的肌肉线条(转速-转矩曲线)着实很迷人,但也架不住小鲜肉那张粉嫩的小脸蛋。


But,在直流电机的阵营中,有一帮兄弟依靠自身身体的重新组装和新技术的应用,延缓了直流电机的衰败局面,完成了“直流电机”这个民族的伟大复兴,它不是一个人在战斗,它们就是——永~磁~无~刷~直~流~电~机。


欲知后事如何,且听下回分解......

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