电动工具中的有刷、无刷、感应电机有什么区别?
本文作者:庞佳
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“电动工具我该买有刷的还是无刷的?”
“这个牌子的电机功率更大,而且更便宜,值不值得买?”
“相同功率的感应电机,为什么单相的比三相的还要贵?”
作为一名工具控,我经常会给亲朋好友维修手头的电动工具,也常常会被问到以上问题。
电机,作为电动工具的核心,是大家非常关心的一个东西,为了让大家正真了解电动工具中常用电机的原理与特性,我打算写一篇简单的文章,同时也好让大家能够自行挑选适合自己的电动工具,或者在电动工具出现故障的时候,能够进行简单的修理。
下面,我会以一个工具维修者的身份,结合各类电机在电动工具中的特性,通过三个要点来进行电机原理进行说明。
一、电机为什么会转?
二、电机是怎么换向的?
三、电机是怎么调速的?
在进行原理说明之前,我们先对电动工具中常用的电机进行分类。
我们常说的有刷、无刷和感应电机,分别对应着以上不同类型。
我们先从有刷电机开始说起。
在电动工具中,有刷电机是目前使用量最多的一类,从小功率的手电钻、电磨,到大功率的切割机、电链锯等,都能看到它们的身影。
其中,永磁有刷直流电机,常用于便携式的充电电动工具中;而串激电机,则多用于插电的电动工具中。
永磁有刷直流电机结构简单,制造成本低,性能稳定可靠,并且换向和调速电路也相对简单。
那么,我们先来看第一个问题。
Q1:永磁有刷直流电机为什么会转?
上图展示了一个永磁有刷直流电机的最简单的形式,A、B、C三级电枢绕组呈120度环形排列,外围设置两片瓦形磁钢。电流通过电刷与整流子(换向器)接触,将电流引入电枢绕组。
当电源接通时,电枢绕组会像电磁铁一样产生磁场,同时和外围的瓦型磁钢产生相互作用。根据磁场同性相斥,异性相吸的原理,电枢会绕中心轴转动。
在一个转动周期内,每一极电枢绕组,都会交替与外围磁钢产生一吸一斥的作用,完成120度的转动。在换向器的作用下,周而复始,形成连续的旋转。
【永磁有刷直流电机的换向】
永磁有刷直流电机的换向有两种方式:
第一,改变外围磁钢(定子)的极性。
第二,改变输入电流的方向。由于磁钢为永磁体,且以定子的形式放置,因此,永磁有刷直流电机的换向基本都使用改变电流方向的方式来实现。
【永磁有刷直流电机的调速】
在电动工具中,永磁有刷直流电机的调速基本都采用PWM(脉冲宽度调制)的方式。使用MOSFET(场效应管)作为功率器件。
图中555芯片组成的电路,用来产生PWM(脉宽调制)信号,然后驱动MOSFET场效应管对电机进行功率控制。
PWM(脉冲宽度调制)直流电机调速,简单的来说,就是控制电机得电与失电的时间长短。
在一个周期内,电机得电的时间越短,失电的时间越长,电机转速就越慢,反之,电机得电的时间越长,失电的时间越短,电机的速度就越快。
Q2:串激电机为什么会转
串激电机与永磁直流有刷电机相似,不同的是其定子由永磁体变成了电磁体。串激电机的定子,也含有线圈,并且线圈同电刷串联在一起,因此叫串激(励)电机。
【串激电机的换向】
串激电机定子线圈和转子线圈是串联在一起的,当改变外部电源极性的时候,定子和转子的极性会同时改变,因此,即使改变电源的极性,串激电机也不会换向。
也正因为这个特性,使得串激电机在通入直流或者交流电源时,都能正常工作(我想,国外把串激电机叫做通用电机Universal Motor,也是这个原因)。
那么,串激电机的换向要怎么实现呢?
其实,方法也很简单。既然定子线圈和转子线圈串联在一起,那么,我们只要改变定子线圈与转子线圈的串联方式,就可以改变串激电机的运转方向了。
我们常用的手电钻上都有一个换向开关,对于使用串激电机的手电钻(一般插电的都是),当我们拨动换向开关的时候,就改变了定子与转子的串联方式,串激电机就会按照相反的方向运转。
【串激电机的调速】
虽然永磁直流有刷电机的换向方式,不能用在串激电机上,但是它的调速方式,在串激电机上是有效的。
不过由于串激电机大多使用220V交流电,因此,串激电机有更加简单可靠的方式——交流斩波调速法。使用的功率器件为可控硅。
串激电机的调速器在结构上和直流电机的类似,只不过由于功率器件换成了可控硅,因此,电路更加简单。
图中T1为双向可控硅,VD为双向触发二极管,RP为带开关滑动电阻(对应电动工具上的按压开关)。电路上电时,C1两端电压不能突变,电流经R1、RP给C1充电,当达到VD的触发电压时,VD导通,T1导通,此时有电流流过电机 M。当VD导通后,C1随着交流电的周期放电,当C1两端电压低于VD触发电压时,VD断开,T1在交流电的过零点截至。
在一开一关中,相当于把电流给斩断了。调节电位器RP,可以改变电容C1的充电速度,于是,就改变了T1的开与关时间长短。在一个周期内,开的时间越长,电机转速越快,反之,电机转速越低。
所以,在电机速度很低的时候,由于可控硅开的时间很短,我们甚至可以听见电机发出“哒哒哒”的声音。
好了,由于篇幅的关系,我们今天就暂时说到这里。有关无刷直流电机和感应电机,我们会在后续的文章中进行说明。
想深入了解电机原理的朋友,我们还可以一起探讨以下两个问题:
1、使用串激电机的手电钻在接入直流电源时,是否还能调速?
2、改变交流电源的频率,能否改变串激电机的速度?
本文主要面向工具爱好者,有说的不对的地方,还请大家多多指教。也欢迎感兴趣的朋友欢迎在下方给我们留言。
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