电机的旋转原理 电机的发电作用

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电机的发电原理 - 电源设计电子电路基础电源技术信息网站_罗姆电源设计R课堂 https://techclass.rohm.com.cn/knowledge/motor/basics/basics-02/74

关于电流、磁场和力

首先，为了便于后续电机原理说明，我们来回顾一下有关电流、磁场和力的基本定律/法则。虽然有一种怀旧的感觉，但如果平时不常使用磁性元器件，就很容易忘记这些知识。

 

 

电机的旋转原理

下面介绍一下电机的旋转原理。我们结合图片和公式来说明。
当导线框为矩形时，要考虑到作用在电流上的力。
作用于边a、c部分的力F为

产生以中心轴为心轴的转矩。

例如，当考虑到旋转角度仅为θ的状态时，与b和d成直角作用的力为sinθ，因此a部分的转矩Ta由以下公式表示:

以相同的方式考虑c部分，则转矩加倍，并生成由以下公式计算出来的转矩：

由于矩形的面积为S＝h・l，因此将其代入上述公式可得出以下结果：

该公式不仅适用于矩形，也适用于圆形等其他常见形状。电机就是利用了该原理。

 

• 2020.12.9

电机的发电原理

上一篇文章介绍了电机的旋转原理。本文将介绍电机的发电原理。

如上一篇文章所述，电机是将电能转换为动力的设备，可以通过利用磁场和电流相互作用所产生的力来实现旋转运动。其实，反之，电机也能够通过电磁感应将机械能（运动）转换为电能。换个角度说，电机具有发电作用。提到发电，您可能就会想到发电机（也称为“Dynamo”、“Alternator”、“Generator”、“交流发电机”等），但是其原理与电机相同，并且基本结构相似。简而言之，电机可以通过使电流流经引脚而获得旋转运动，相反，当电机的轴旋转时，在引脚之间会有电流流过。

什么是电机的发电作用？

如前所述，电机的发电依赖于电磁感应。以下是相关定律（法则）和发电作用的图示。

左图显示电流按照弗莱明右手定则流动。通过导线在磁通中的运动，在导线中产生电动势并且有电流流动。

中间的图和右图表示按照法拉第定律和楞次定律，当磁铁（磁通）靠近或远离线圈时，电流沿不同的方向流动。

我们将在此基础上来解释发电原理。

电机的发电原理

假设面积为S（＝l×h）的线圈在均匀磁场中以ω的角速度旋转。
此时，假设线圈表面的平行方向（中间图中的黄线）和相对于磁通密度方向的垂直线（黑色虚线）形成角度为θ（=ωt），则穿透线圈的磁通量Φ由下式表示：

　

另外，通过电磁感应在线圈中产生的感应电动势E如下：

　

当线圈表面的平行方向垂直于磁通方向时，电动势变为零，而水平时电动势的绝对值最大。

 

这样，电机就具备了发电作用。我在这里说明的是电机具有旋转动作和发电作用，并不意味着要将电机用于发电。如果要发电，通常使用专为发电进行了优化的发电机。

 

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H桥电路的有刷直流电机驱动：高边电压线性控制

从本文开始，我们会介绍几种使用H桥电路来驱动有刷直流电机的方法。

H桥电路的有刷直流电机驱动：
高边电压线性控制

在该有刷直流电机驱动的驱动器电路示例中，可以通过线性控制高边Pch MOSFET来更改OUT引脚的H电压，从而控制施加到电机的电压。OUT引脚的H电压由施加到Vref引脚的直流电压控制，理论上的电压与施加到Vref的电压相同。这就可以控制电机的转速/转矩。

在该示例中，当高边MOSFET（Q1，Q3）通过H桥切换控制逻辑导通时，运算放大器会给高边MOSFET的栅极偏压，使MOSFET导通，并且MOSFET的漏极电压被反馈至运算放大器的同相输入。根据运算放大器反馈电路的原理，该电路执行反馈控制，以使反相输入和同相输入具有相同的电压。在该示例中，施加到Vref引脚的电压=运算放大器的反相引脚电压等于运算放大器同相引脚=MOSFET的漏极电压=OUT引脚的H电压。由于该反馈电路的增益为+1，因此Vref和OUT的电压比也为1:1。

可能对于反馈到该同相引脚的电路感觉有点不协调，但是由于Pch MOSFET为活动状态的L，因此会反馈运算放大器输出的反向电压。这与使用PNP晶体管作为升压器的反馈电路的思路相同。

有刷直流电机驱动的H桥控制电路的工作与“输出状态的切换”中所述的工作相同。

 

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• 2020.11.25

小型电机的结构

本文将对上一篇文章中提到的在“电机驱动”基础篇中重点介绍的小型马达电机的“有刷直流电机”、“无刷直流电机”及“步进电机”的结构概要进行说明。

小型电机的结构

首先，下图中给出了步进电机、有刷直流（DC）电机、无刷直流（DC）电机这三种电机的大概构造和对比。这些电机的基本组成部件主要为线圈、磁铁和转子，另外由于种类不同，又分线圈固定型和磁铁固定型。

以下为与示例图相关的结构说明。由于更细致地划分的话，还可能存在其他结构，因此请理解本文中介绍的是大框架下的结构。

这里的步进电机的线圈在外侧固定，磁铁在内侧旋转。

这里的有刷直流电机的磁铁在外侧固定，线圈在内侧旋转。由电刷和换向器（commutator）负责向线圈供电和改变电流方向。

这里的无刷电机的线圈在外侧固定，磁铁在内侧旋转。

请大致了解由于马达电机种类不同，即使基本组成部件相同其结构也有不同。具体将在各部分进行详细说明。

 

 【第1集】② 电机驱动器IC的作用 - 电源设计电子电路基础电源技术信息网站_罗姆电源设计R课堂 https://techclass.rohm.com.cn/knowledge/category/tech-info/sugiken/vol001-2

 

需要用电机驱动器IC来控制流过电机绕组（线圈）的电流顺序和电流大小。

尽管也有不使用电机驱动器IC的驱动方法，但由于电机驱动器IC的价格相对便宜，并且在驱动电机方面可以达到与微控制器同等甚至更好的效果，因而得以广泛应用。

【第1集】② 电机驱动器IC的作用

首先，我们先来了解以下两个主题，这会帮助我们了解什么是电机驱动器。

• 电机驱动器IC的作用
• 电机驱动器IC与电机设备之间的关系

电机驱动器的作用

用来使电机旋转（驱动电机）的集成电路（IC）通常被称为“电机驱动器IC”或“电机驱动IC”，在某些情况下还会被称为“电机驱动器”。市场上的电机驱动器IC种类非常多。

那么，为什么需要用电机驱动器IC来让电机转动呢？

下面我来简单解释一下这其中的原因。首先，电机之所以能够转动，是由于构成电机的电磁体和永磁体会产生吸引力和排斥力。为了使电机持续转动，就必须切换电机多个电磁体各自的极性，并调整磁力的大小。而电机驱动器IC正是被用来控制电磁体的，也就是说，由它对电机中的绕组（线圈）所流电流的顺序和电流的大小进行控制。

当然，世界上也有不使用电机驱动器IC的情况。比如，有一种电机可以通过机械开关来控制电流，从而实现电机旋转。不过，如果使用电机驱动器IC，就可以进行更复杂的控制和电流量调整了。另外，使用微控制器也可以实现与电机驱动器IC相同的功能。只要创建一个程序能够控制线圈通电开关即可。但是这也涉及到成本是否合适、程序开发的时间与精力等方面的考量。综合来看，电机驱动器IC的价格相对便宜，并且在驱动电机方面可以达到与微控制器同等甚至更好的效果，因此得以广泛应用。

电机驱动器IC与外围电子元器件一起被安装在电路板上。电路板可能内置在电机中不可见，也可能安装在电机的侧面，还有可能与电机分开被一并配置在配套设备的电路板上。然后，电机被安装在空调、电脑或汽车等配套设备中，用来使风扇、滚筒、磁盘和轮胎等旋转。

*各种应用场景示例

近年来，配备这种电机的设备需要更节能、更安静，因此在设计电机时必须满足这些要求。另外，电机的性能还会受到流过线圈的电流变化（电流控制程度）的影响。因此，控制这些因素的电机驱动器IC是让电机高效率、低振动（节能、静音）旋转的重要器件。

 【第1集】③ 电机驱动器与电机设备之间的关系 - 电源设计电子电路基础电源技术信息网站_罗姆电源设计R课堂 https://techclass.rohm.com.cn/knowledge/category/tech-info/sugiken/vol001-3

 

怎么样？了解电机驱动器的作用了吗？ 接下来，我将为您介绍电机驱动器与电机设备之间的关系。

电机驱动器与电机设备之间的关系

在接下来的讲解中，将会出现电机设备的组成和各部分相关的一些术语，比如电机驱动器IC、由电机驱动器IC和外围元器件组成的电机驱动器（电机电路）、当电机驱动器与电机机身组合并通电时便会执行预期工作的“电机”、安装了该“电机”的设备等。请大家结合图片来了解它们的含义和定位。

当然，仅凭电机驱动器IC一种器件是做不了什么的。只有将它与电机的绕组（线圈）连接起来，并从电源获得电力之后才能构成使电机旋转的驱动电路。这部分的目标是通过电机驱动器将电能有效转换为机械能（旋转动力），激发出电机机身的能力。另一方面还需要认识到，很难激发出超过电机机身固有特性的性能。

由电机驱动器和电机机身组成的“电机”，需要具备高效率、低振动、低噪声等特性。将电机安装在配套设备上之后，这些特性会体现在设备的节能性能和静音性能上。因此，电机驱动器的电机驱动性能将会影响设备的性能（节能、静音）。另外，电机驱动器还需要同时考虑电气可靠性和运动体（电机）的机械可靠性。

在控制方面，有一种说法是“如果不充分了解控制对象就控制不了控制对象”。也就是说，要想设计出好的电机驱动器，需要先了解电机的结构、旋转原理、在配套设备（应用产品）中的使用方式、以及应用需求。后续我将会依次为大家介绍电机的工作原理、电机的控制方式以及电路配置等基础知识。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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