直流有刷馬達

直流有刷馬達是內部有整流子的電動機，可以由直流電供電運動。直流有刷馬達可以將電能轉換為動能，而且所需的直流電源已當時普遍使用在商用及工業大樓中，因此是早期商品化的重要電器裝置。直流有刷馬達可以用調整工作電壓或是磁場強度的作法來改變其轉速。依照磁場繞組供電方式的不同，直流有刷馬達的速度轉矩特性可以調整為定速度特性，或是速度和負載成反比的模式。直流有刷馬達會使用在電力推進系統、吊車、及軋鋼廠中。由於直流有刷馬達中的電刷會磨損，需要定期保養更換，隨著電力電子學的發展，直流無刷電動機已在許多應用中取代了直流有刷馬達。結構.直流有刷馬達的基本構造包括電樞、場磁鐵、集電環和電刷。簡易兩極直流馬達的原理.下圖是簡易二極有刷直流馬達的原理。若繞在軟磁性材料上的線圈，其中有電流流過，又放在外加磁場下，依弗萊明左手定則，線圈一端的導線會受一個和磁場和電流垂直的力，另一端的導線則會受一反方向的力。這二個力會使線圈旋轉。若要讓線圈持續往同一方向旋轉，若針對二極馬達，每旋轉半圈時，線圈上的直流電需改變方向，使線圈繼續往同一方向旋轉。上述馬達的一個問題是出現線上圈和磁場平行的情形下，也就是定子和轉子差90度的情形下，此時的力矩為零。在上圖中，左側第二圖即為線圈和磁場平行的情形。馬達轉子若在此位置，無法啟動運轉。不過只要馬達開始運轉，透過此位置時，會因為轉子的慣性而使馬達繼續運轉。這種二極的設計還有另一個問題。在零轉矩的位置，二個整流電刷會同時碰觸到二個換相片此處短暫的短路無法產生動力。若是電池供電，低電流的應用，問題可能還不大。但若二極馬達的功率到達數百瓦，短路可能會讓整流子嚴重過熱，若電刷是金屬的，甚至可能讓電刷熔化。若使用碳刷，就不會有熔化的問題。而這樣的短路在電力上是種浪費，一方面會讓電池的電快速耗盡，而供電線路不能只考慮馬達正常運轉需要的電流，也需考慮短路的電流。有關避免短路的問題，有個簡單的處理方式，是讓二個換相片之間的間隙比電刷之間的間隙要大。這會增加在轉動時零力矩的比例，但可以避免短路的問題。而且在此修改外，只要讓馬達固定在零力矩的位置，不讓它轉動，即可有效的讓馬達停止。在自製的業餘馬達中仍可看到這種設計。此作法明顯的有個缺點：馬達在旋轉時，每一圈會固定有二小段時間沒有力矩，其輸出力矩是脈動力矩。若用在電扇或是飛輪上，問題不大，但在許多應用中是完全不合適的，例如像錄音機的驅動馬達，需要定速轉動的裝置，或是常常需要快速加減速的裝置。另外一個缺點是線圈的電感很大，上面的電流不允許瞬間的變化。其電流可能會從換相片和電刷之間的間隙跳火，因此產生電弧。就算在電扇和飛輪的應用中，也有一個缺點：馬達在一些特定位置。其電流變化較小，因此比較不會有電刷產生電弧的情形。若直流馬達的軸因為外力而轉動，直流馬達會類似發電機，產生電動勢。馬達在靜止時其電阻很小，但在馬達旋轉時，給相同的電壓，其電流會小於靜止時的電流，就是因為反電動勢的影響。因此，馬達上的壓降除了電阻的壓降外，還有反電動勢及雜散電壓降。其電流的方程式如下：formula_1馬達產生的機械功如下：formula_2若無載的直流馬達旋轉，會產生一個電動勢，避免電流繼續增加。在轉速上昇時其電流會繼續下降，因此自由旋轉的馬達其電流很小。馬達在有負載時，其電流才會上昇。換相面.在電滾子。圖中只繪出換相面和一個電刷之間的關係，假設另一側旳電刷也以類似和方式和換相面接觸。定子磁場扭曲的補償.真實電滾子的磁場不均勻。在轉子旋轉時會引發磁場的效應，會使牽引定子的磁力線，使其扭曲。轉子旋轉的越快，磁場扭曲的情形就越嚴重。若讓轉子磁場和定子磁場垂直，運作的效率最高，因此需要調整電刷的位置讓轉子磁場和扭曲後的扭曲磁場成直角。若轉子轉向相反，其磁場效應也會相反，其真實換相面位置也會不同，因此很難製作高效率、可反轉的換相電滾子。這個效果類似內燃機中的點火正時。一般而言電滾子會設定在以固定轉向以及速度旋轉，因此其電刷會固定在該轉向和轉速下最大效率的位置。繞線定子的直流馬達會用和來補償磁場的扭曲。設計上分類.直流有刷馬達轉子是由繞組組成，定子可能是繞組，也可能是永久磁鐵。繞線定子.場繞組有四種基本的型式：繞組。他激(勵)式馬達中，勵磁繞組與電樞沒有電的聯絡，勵磁電路是由另外直流電源供給的，因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。會用在直流牽引電動機，以控制。並激(勵)式馬達中，並勵繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，但是勵磁繞組用細導線繞成，其匝數很多，因此具有較大的電阻，使得透過他的勵磁電流較小。負載增加時，扭力增加，轉速不太受影響。串激(勵)電動機中，勵磁繞組是和電樞串聯的，所以這種電動機內磁場隨著電樞電流的改變有顯著的變化。為了使勵磁繞組中不致引起大的損耗和電壓降，勵磁繞組的電阻越小越好，所以直流串勵電動機通常用較粗的導線繞成，其匝數較少。串激式電動機在負載增大時，扭力增大但轉速減慢。複激式馬達具有並激式和串激式的特性，大起動扭力及較穩定轉速。永久磁鐵馬達.永久磁鐵定子的馬達，其效能比直流馬達、激磁馬達或同步電動機都好，是分數馬力應用中常用的馬達。永久磁鐵馬達和其他單饋電機比較，永久磁鐵馬達體積較小、較有效率，可靠度也比較高。一開始大型的工業直流馬達會用定子繞組馬達，或是轉子磁鐵馬達。因為很難找到可以維持高磁場強度的材料，因此以往永久磁鐵馬達只會用在小功率的應用中。近來材料科學的進步，已可以製造高強度的永久磁鐵，因此可以開發小型高功率的馬達，不需要大體積的場繞組以及激磁元件。不過隨著高效能的永久磁鐵越來越多的應用在馬達和發電機系統中，也開始出現其他的問題。軸向磁場馬達.傳統直流有刷馬達的磁場是徑向的，會和馬達的旋轉軸交叉。不過也有一些馬達的設計是讓磁場和旋轉軸平行，轉子在旋轉時會切割磁場。因此可以有較強的磁場。這可以讓馬達在低速時有較大的功率輸出。不過其集中的磁通密度會受到殘留磁通密度的限制，而且磁芯飽和的磁通密度是主要的設制限制。速度控制.一般而言，直流馬達的轉速和繞組的電動勢的方向來達成。電流反向的電路可以用特殊的繼電器來達成。等效電壓可以用串聯電阻來調整，或是用閘流體、電晶體或水銀整流器製成的控制裝置來調整。串並聯.在電力電子學技術問世之前，串並聯控制是鐵路牽引電動機控制的標準作法。電力機車上有四顆馬達，可以用以下的三種方式接線：上述都是假設馬達是執行在最小電阻損失的速度。若是在啟動或是加速，需要用電阻進行額外的控制，若用電子控制系統，即可不用用電阻進行額外的控制。弱磁控制.弱磁使用。斬波器.在斬波器電路中，會快速的切換提供給馬達的電壓，來調整給馬達的平均電壓。斬波器會調整輸出導通和關斷的時間比例，以調整給馬達的平均電壓，馬達的轉速也會隨之變化。導通時間的比例乘以供電電壓，即為給馬達的平均電壓。例如供電電壓100V，導通時間佔25%，馬達的平均電壓即為25V。在輸出關斷時，電樞的電感會讓電流持續導通，因此開關上需要和開關並聯的飛輪二極體，在此情形下讓電流導通，此時供電電流為0。若輸出導通佔比是100%，馬達電流等於供電電流。快速切換會產生切換損失，但是比串聯電阻產生的損失要小。此方式也稱為是脈衝寬度調變，會用微處理器實現。有時會在輸出端加裝濾波器，使輸出的平均電壓比較平緩，也可以減少馬達線上的雜訊。串激繞組的直流馬達在低速時有最高的轉矩，常用在牽引電動機的應用串接弱磁電阻。此時的轉速會超過額定轉速。當馬達電流增加時，接觸器會切斷弱磁電阻，讓馬達回到正常的轉速。Ward Leonard.可以控制並激型或複激式的直流馬達，而且可以在交流電源下控制直流馬達的速度，若是非常大型的應用，直流發電機和直流馬達會配兩組，再串聯可變電阻控制，因此會需要五臺電機。在許多的應用中，馬達—發電機組會持續運轉，以避免需要用電時才讓馬達加速，因而造成的時間延遲。小型到中型的Ward Leonard控制器已被閘流體電力電子系統取代，但有些數千馬力的Ward Leonard控制器仍在運作。其場電流遠小於電樞電流，因此可以用小型的閘流體控制，此方式控制的馬達功率會比直接用閘流體控制的馬達功率要大的多。例如在某個應用中，控制發電機場電流的閘流體額定只需要300A，但發電機產生的電流超過15,000 A，若直接用閘流體控制，不但價格昂貴，而且也沒有效率。直流馬達的轉矩和轉速.直流電動機的轉速和力矩會依其激磁方式而不同。會依照負載的不同，選擇他激場繞組、自激場繞組或是永久磁鐵激磁來控制馬達。自激場繞組的馬達，其場繞組也可以用並激式、串激式或是複激式。基本特性.定義反電動勢方程式.直流馬達的反電動勢和總磁通強度和電樞速度的乘積成正比：kb Φ n電壓平衡方程式.直流馬達的輸入電壓需克服反電動勢，也要克服馬達電樞繞線、場繞線和電刷電阻產生的電壓降：Eb + Rm Ia力矩方程式.直流馬達的力矩和電樞電流和總磁通強度的乘積成正比formula_3：其中速率方程式.因為andEb + Rm Ia可得formula_4其中轉矩和轉速特性.並激繞組式馬達.並激式馬達的高電阻最少會大於5%。速度控制的方式有以下三種：串激繞組式馬達.串激繞組式馬達在負載變大時其轉速會降低，電流增加，因為電流同時流到電樞和場繞組，轉矩會和電流的平方成正比。馬達堵轉時，其電流只受繞組本身的電阻所限制，因此轉矩會相當高，但有繞組過熱的風險。串激繞組式馬達以往常用在各種鐵路運輸的牽引電動機，不過後來已被逆變器驅動的交流非同步電動機所取代。馬達電樞繞組上的反電動勢和其電阻可以限制流經電樞的電流。馬達剛送電啟動時，電樞靜止未旋轉，反電動勢是零，此時只靠電樞電阻來限制電流。可預期的，此時透過電樞的電流會很大，因此在啟動時需要額外的電阻和電樞串聯來限制電流，直到電樞已旋轉，可產生反電動勢為止。若馬達已開始加速運轉，就可以逐漸的將電阻切離。串激繞組式馬達的最大特點是其轉速和需要驅動負載的轉矩有關。這適合驅動大慣量的負載，因為在加速時會需要最大轉矩，當開始加速後其轉矩就可以慢慢減少。串激繞組式馬達在無載時的速度可能會非常快，甚至會快到會造成危險的程度，因此串激繞組式馬達多半會直接驅動負載，或是用齒輪連線負載。永久磁鐵馬達.永久磁鐵直流馬達的特性是堵轉轉矩和軸上沒有負載時的無載轉速之間的線性關係。保護.要延長直流馬達的壽命，可以使用保護裝置以及電機控制器來避免馬達的機械損壞、過度潮濕、電擊穿、高溫或是熱過載。保護裝置會感測馬達的異常條件，並且產生警報提醒操作者，或是在故障發生時自動將馬達斷電。馬達的過載可以用熱過載繼電器來保護。有些馬達在繞組中嵌有雙金屬過載繼電器，在溫度過高時，會往不同方向偏折，使電路及馬達開路。加熱器是外加的熱過載保護器，串聯在馬達繞組上，裝在馬達的接觸器上。當過電流時接點會熔化，使馬達電路開路。雙金屬加熱器的效果類似嵌入式雙金屬保護器。保險絲及斷路器可以保護過電流或是短路。接地故障繼電器也可以用來作接地短路保護。接地故障繼電器會監控馬達繞組電流以及接地系統電流。若在馬達－發電機組中，會有反向電流繼電器避免電池放電，反而發動發電機旋轉。直流馬達若喪失磁場，可能會造成有危險性的速度過高失控可以用、、壓敏電阻、及諧波濾波器來保護。環境條件都已將馬達的外殼標準化，針對保護馬達不受這些汙染來進行設計。在馬達設計階段也會使用電腦軟體（例如來提昇馬達的熱效率。引數和狀態估測.有許多研究在估測馬達的引數，作法包括有傳統以模型為主的估測器，例如。