電機的種類

電機簡單劃分為：交流電機與直流電機，直流電機作為發(fā)電機使用時稱之為直流發(fā)電機。微型直流電機可以通過改變直流電壓來改變轉(zhuǎn)速，應(yīng)用場景非常多，這種控制轉(zhuǎn)速方法極為簡單，所以使用率是非常高的。

上圖中，電流沿箭頭方向流動，線圈上為S極，下為N極，根據(jù)異性相吸、同性相斥的原理，電樞逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)90°時，磁極就會變換，即S極變成N極，N極變成S極，使電樞繼續(xù)朝逆時針轉(zhuǎn)動。

三相異步電機的工作原理

如上圖所示，以時間相位互差120°的三相交流電，向空間相位互差120°的三相線圈通，0°時產(chǎn)生磁通量的方向如箭頭所示，U相最大（設(shè)為1.0），V相和W相各為-0.5。60°時，W相為-1.0，U相和V相各為+0.5。

三相電流隨著時間從0°漸漸變化為60°時，磁通量變化如圖（d），順時針方向旋轉(zhuǎn)了60°。如此反復(fù)，磁通量順時針旋轉(zhuǎn)，便產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。

另外，U相線圈、V相線圈、W相線圈按照順時針方向排列，圖（a）所示的U、V、W相應(yīng)通電可產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場。如果按照逆時針方向排列，則可產(chǎn)生逆時針轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場。

也就是說，如果更改三相異步電動機三相線圈中兩相的順序，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動方向也會隨著改變。

同步電機與直流電機輸出轉(zhuǎn)矩的原理相似

同步電機與異步電機均隨著旋轉(zhuǎn)磁場而轉(zhuǎn)動。同步電機的轉(zhuǎn)子受到旋轉(zhuǎn)磁場N極和S極的吸引而轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場相同。也就是說，同步電機轉(zhuǎn)矩輸出的原理與直流電機類似。

異步電機輸出轉(zhuǎn)矩的原理

鼠籠式線圈切割旋轉(zhuǎn)磁場，鼠籠式線圈中通過電流，異步電機輸出轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩輸出的前提條件是通電鼠籠式線圈切割磁感線，而轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動時不存在磁感線切割，因此無法輸出轉(zhuǎn)矩。

直流電機的基本結(jié)構(gòu)

磁體固定+線圈旋轉(zhuǎn)+電刷：直流電機的輸出轉(zhuǎn)矩是由磁場（永磁體）磁通量與電樞電流間的電磁力作用產(chǎn)生。磁體位于定子上，線圈（電樞）則排布在轉(zhuǎn)子上。電刷可使電流通過線圈，換向器則可保證轉(zhuǎn)矩持續(xù)輸出。

直流電機的類別

直流電機采用直流電源，通過勵磁線圈（直流線圈）而非永磁體產(chǎn)生磁場。此種類型的電機大致分為三類：

1）他勵電機：電樞線圈與勵磁線圈分開供電；

2）并勵電機：電樞線圈與勵磁線圈并聯(lián)，由同一電源供電；

3）串勵電機：電樞線圈與勵磁線圈串聯(lián)，二者電流相同。

直流電機特性的基本公式

電機端子電壓V：

V=E+RaIa

式中，E為反電動勢；Ia為電樞電流；Ra為電樞線圈電抗與電刷接觸電阻之和。另外，反電動勢E和轉(zhuǎn)矩τ的計算方法如下

E=K1nΦ

τ=K2ΦIa

式中，K1和K2為比例常數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；Φ為每極的磁通量（Wb）。由式（1）和式（2）可得出轉(zhuǎn)速

n：n=（V?RaIa）/K1Φ

電機的機械功率

P（W）：P=ωτ

式中，角速度ω=2πn(rad/s)

轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

包含永磁式他勵直流電機，縱軸表示電機轉(zhuǎn)矩，橫軸表示轉(zhuǎn)速，控制電樞電流保持恒定，便如下圖

這里提到的基底轉(zhuǎn)速指的是，額定轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速升高，電壓一定，功率達到最大值的速度。達到基底轉(zhuǎn)速前，可得到最大轉(zhuǎn)矩。另外，電機的轉(zhuǎn)速大于基底轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速上升而下降。

基底轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

大于基底轉(zhuǎn)速時，端子電壓遠遠低于額定電壓，接著在較弱磁場作用下，轉(zhuǎn)速升高。永磁電機不容易形成弱磁場，僅有恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動這一特性。磁通量一定時，轉(zhuǎn)矩與電樞電流成比例關(guān)系?？刂齐姌须娏鞅憧煽刂妻D(zhuǎn)矩。磁通量減半，轉(zhuǎn)矩也減半。，端子電壓與電樞電流恒定時，轉(zhuǎn)速變?yōu)?倍，電機功率是恒定的。

并勵直流電機的基本特性

與他勵電機相同并勵電機與他勵電機基本相同。設(shè)計控制電路時應(yīng)避免勵磁線圈和電樞線圈控制系統(tǒng)的相互干涉。

串勵直流電機的基本特性

電樞電流=線圈電流

如下圖所示，串勵電機中勵磁線圈與電樞線圈的電流相同，所以不能像他勵或并勵電機那樣，獨立控制各部分的線圈電流。圖中表示的是串勵電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。串勵電機只可控制一個電壓，不同電壓下的特征表現(xiàn)如圖所示。

如何選擇電機？

選擇直流有刷電機：電機和控制裝置有分別購買和成套的情況，如果是分別獲取的，推薦直流有刷電機。如果選用交流PM電機（永磁電機），或者異步電機，則需要另行制作或者購買逆變器。另外，控制方面還通常需要向量控制理論和電機常數(shù)方面的知識，要么有電子工程學(xué)的專業(yè)人員，要么有專業(yè)組織的援助，否則會格外困難。永磁直流電機沒有勵磁回路，只要單獨控制電樞電流就能控制轉(zhuǎn)矩，使用斷路器或電阻控制電壓，就能簡單實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。直流電機控制相對比較簡單且入門難度低。

需要注意的電機規(guī)格：電機規(guī)格存在額定值和最大值，因此檢查過電流承受能力和最大轉(zhuǎn)速及最大電壓尤為重要。在比賽中電流和電壓在額定值以內(nèi)的情況較少，并可能相當(dāng)頻繁地超過額定值使用，因此事前研究即使超過何種程度，電機和控制裝置也不會損壞是非常重要的。直流電機的換向器不會發(fā)生閃絡(luò)，只要機器不損壞，就能按照相當(dāng)?shù)乃俣群凸β市旭偂?/span>

使用勵磁繞組電機的注意事項

勵磁繞組電機盡管能夠控制勵磁繞組電流，但通常勵磁電流的控制方式與永磁電機控制方式相同。不過，由于勵磁繞組電流能夠控制，增大勵磁電流時，電機的反電動勢會變大，能量會返回到電池里，因此可再生。另外，永磁直流電機的反電動勢無法變大，所以實現(xiàn)再生需要使用再生斷路器等。

使用串勵電機時的注意事項

串勵電機的控制系統(tǒng)跟永磁直流電機相同，由于其特性是啟動轉(zhuǎn)矩非常大，所以電機的加速性能優(yōu)越。但是空轉(zhuǎn)時非常危險，所以在進行電機單體測試需要注意。并且，它也像永磁直流電機一樣，需要設(shè)計電路才能實現(xiàn)再生。