直流與交流電機的原理

 

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

 

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，若在極端負載下，將不足100小時。在工況條件較好的情況下，部分電機的運行壽命或將達到1.5萬小時。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，并由其產生定子磁場（stator field），進而在產生轉子磁場。而同步電機（synchronous motor）則是另一種交流電機，其運行時的電源頻率（supply frequency）精度高。當電流通過滑環（slip ring）或永磁體時，將產生磁場。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。

 

交流電機則意味著該設備的運行數值將與性能曲線上某個特定點相對應，該曲線與電機的峰值效率（peak efficiency）將保持一致。若未按照該點對應的數值運行，那么電機的效率將大幅下挫。交流電機在轉子上產生感應電流，進而產生磁場，該過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，因為永磁體將產生次生磁場（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機（shaded pole motor）的電機效率。

直流電機和步進電機-0基礎一個月學會51單片機第1季第12部分

 

電子整流電機的簡介及優勢

 

電子整流電機是一種受控于外部電子器件的無刷直流電機，該電子器件可能是電子線路板，也可能是變頻器（variable-frequency drive）。機械整流（mechanical commutation）的執行有賴于電子回路（electronic circuitry），線路板可改變固定式繞組（fixed winding）的相位，確保電機轉動，可提供適量的電樞電流（armature current）。若在精準的時間段內向正確的方向傳輸電流，可實現較高的精度。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勢：由于該類電機無電刷，不會產生火星或因電刷緣故導致電機使用壽命縮短，且不會浪費能量，因為其采用電子器件來控制定子，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，甚至能節省更多的空間。

 

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

　　

 

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機（AC permanent-split capacitor motor）進行比對，則會發現：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：小型風機、伺服電機、動作控制技術系統（motion-control systems）。目前正嘗試新方法，將該類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（soft start），且噪聲及電機溫度較低。