教程:拉丝直流电机(第一部分)

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简单和坚固，刷直流电机提供高扭矩在低速，使他们很适合伺服电机的应用。

编者注：这是第一个在持续的电机和运动控制教程中的第一个。

有刷直流电动机是工业用的主要动力。它们简单、坚固、经济。他们提供良好的速度控制在低电压，甚至更重要的，高扭矩在低速。因此，加上闭环反馈，它们可以成为运动控制的一个很好的解决方案。让我们仔细看看刷直流电机背后的基本理论。

一个简单的模型
安培定律告诉我们，载流导线会产生磁场(B- 菲尔德的方向我们可以用右手规则描述：当我们在电流方向指向拇指时，我们的手指沿磁场的方向曲线（见图1）。如果不是单线回路，则我们在线线圈中使用多个线环，或电磁阀，循环产生的磁场是附加的，产生更强，更均匀的B字段。该字段的线大致平行于螺线管的中心轴。这就是我们制作电磁铁的方式。

在最基本的情况下，一个直流旋转电机由一个固定元件(定子)和一个旋转元件(转子)组成。尽管存在各种各样的排列——包括旋转转子和静止转子——在本文中，我们将讨论圆柱形内部转子和用永磁体产生磁场的外部定子。我们可以把电动机看作是由转子产生的b场和定子产生的场相互作用驱动的。

理论到实践
我们如何将这个概念转化成一台真正的机器呢?让我们从一个简单的例子开始:一个两极刷直流电机。它包括一个转子，或电枢，和由两个极性相反的永磁体组成的定子。电枢由横梁安装在中心轴,依次安装在轴承连接到电动机住房,以便它可以自由旋转(见图2),相反我们的侧边栏中描述单回路的线,把线绕电枢N次,形成一个线圈两边,但是从一边到另一边的弯曲方向是相反的。因此，当导线连接到电源时，两个线圈就会形成具有相反极性的电磁场。

磁体可以看作是偶极矩的集合，它们的方向是一致的。我们用电磁铁和永磁体都可以很容易地使用这个模型。正如我们在侧边栏中所示，一个b场对我们线圈的偶极矩施加一个力，推动它对齐。换句话说，当我们将电枢置于由定子磁铁(B年代)，磁场对线圈施加一个力，施加一个扭矩，使电枢绕中心轴旋转。

现在，这个简单的模型有一些问题。虽然只要电流和b场的强度不变，力就保持不变，但转矩是角的函数问在两个之间。当电枢旋转使线圈的南北极点与定子磁体的极点对齐时，问（罪恶问）下降，最终将扭矩驱动为零。出于实际目的，这意味着电枢摊位在其杆与定子磁铁的磁极对齐时。？具有足够的质量，电枢可能移动线圈可能会瞬间经过纯对准的点，但随后将经历负扭矩，导致它达到对准点并最终停止。

然而，请记住，b场施加的力的方向是由电流方向驱动的。这意味着，反转电流方向将逆转力，并允许b场再次施加扭矩。如果我们可以在回路达到垂直方向时进行切换，就在惯性将其带过顶端后，定子磁场现在将作用于保持回路转动，再次产生转矩(见图2)。这就是电动机的工作原理。

为了实现这一目标，我们必须找到一种改变电流方向的方法。在直流电动机的情况下，我们可以通过在回路中添加换向器来实现这一点，换向器可以切换电流。换向器由一个安装在电枢轴上的分裂环组成，这样它就会随着轴移动，一边连接到每个线圈(见图3)。为了将换向器连接到电源，我们使用电刷。这些元件不是真正的电刷，而是导电材料的垫——通常是碳，但通常是金或银，取决于应用，通常是用钢板弹簧固定在换向器上。当电枢转动时，电流每180°旋转一次，保持电机转动。

现实世界的汽车
双极刷直流电机是一个有用的模型理解设计，甚至为具体的应用，但一般来说，它不是特别实用。根据电刷的相对宽度，当它们滑过换向器两侧的间隙时，会产生短路。扩大电刷之间的间隙，这样电刷就不能搭桥，虽然可以防止这种情况发生，但这也浪费了电力，因为在这些时间里——实际上，在切换过程中，通常情况下——系统实际上是在消耗电力，而不做任何功。虽然惯性允许电机继续转动，因为它通过零扭矩点，如果电枢停止在那个位置，它将不能重新启动。

除了换向器，还有一些基本物理原理的问题。施加的力矩是sin?，这意味着它既是非常数又是非线性的。在位置敏感和速度敏感的应用中，如在运动控制中发现的应用，转矩脉动可能是一个严重的问题。

解决方案是放弃双极模型以获得更多的极点。例如，在三极电机中，所有三个线圈绕向同一方向，其中两个同时通电。因此，电机可以从任何位置启动。该系统不再容易受到换向器滑环短路的影响，也不会有任何时候电机没有做有用的工作而产生电流。仅仅从两个极点移动到三个极点也显著地减少了扭矩波动的幅度。通过增加磁极和修改绕组，电机设计人员可以微调其电枢，以产生复杂的磁场，精确地提供应用程序所需的扭矩。

在本教程系列的第二部分，找出什么是你需要知道的关于拉丝直流电机，以便为您的应用程序选择正确的版本，并适当地集成到您的系统。

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