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三线圈小型直流永磁电机工作原理简介

发表时间 :2020-06-17

小型玩具永磁直流电机工作原理简介

一、前言:

在初高中物理讲电动机原理的课程里都用单个线圈,两个换向器的模型讲解原理,如下图所示。然而这种电机不具有实用性,在生活中也见不到。而工业用电机结构复杂一般人也没有机会拆装,这些对于想了解电机构造和原理的爱好者不方便。

人也没有机会拆装,这些对于想了解电机构造和原理的爱好者不方便。



但是,我们在生活中很容易见到三线圈的小型永磁直流电机,它广泛应用于儿童玩具车,玩具风扇等地方。很多有好奇心的小孩子都喜欢拆开这种电机,研究他的内部构造,确实也很简单,如图1所示。


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二、转子电路:

步进电机:这种电机最核心的零件就是它的转子,如图2所示。包括换向器,线圈,铁芯。



转子等效电路如下图3-a所示,是三个首尾相连的线圈,红圈是三个焊锡球,连接三个换相片。最终可以简化为图3-b所示,即三角形△接法的线圈。


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三、转子等效电流矢量

如图4-a,转子在定子中相当于一个△线圈放在磁场下面。任意时刻只有两个换相片与电刷接触,当线圈处于如图位置时,A点与电源正极接触,B点与电源负极接触,C点只起到连接上面两个线圈的作用。如图4-b根据欧姆定律,上面两个线圈的电流是下面线圈电流的一半。再如图4-c,根据空间矢量合成法则,由于上面两个线圈电流大小相等空间夹角是120度,则合成电流方向与下面线圈电流方向一样,三个线圈的电流矢量和折算到一个线圈上的电流是1.5i,方向如图4-d所示。



四、电流换向:

闭环电机:因为定子永磁体和电刷的空间位置固定,根据三个换相片的空间位置可知,转子每转过120度,电流就要换向一次。如果转子每转120度,把A,B,C名称循环互选一次,那么转子里面的电流状态和120度前是完全一样的。则对于和定子相对静止的观察者而言,他发现转子等效电流矢量始终在图5-c的120度范围内逆时针旋转,到灰色位置后立即换向又重新从蓝色位置开始旋转。



五、合成力矩:

根据电机扭矩公式,这种电机的轴上实际的输出扭矩曲线如图6-b所示,为三个相位互差120度正弦曲线的包络线。在P点位置,电流矢量和磁场垂直的地方扭矩最大,在换向的地方(Q1,Q2)扭矩最小,是P点位置的一半。



六、小结:

1. 该小型直流有刷电机的转子绕组等效为三角形△接法,不同于直流无刷电机BLDC的星型Y接法。

2. 该电机转子等效电流矢量是单个线圈电流的1.5倍。

3. 该电机每旋转一圈电流换向三次,电流换向点发生在转子位置角=60度的地方,也就是最大扭矩的1/2处,从而保证扭矩连续,且从任何静止状态都能启动。

4. 该电机的扭矩波动范围为[0.5,1]Tmax,波动较大,只适合对扭矩控制要求不严格的场合。


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