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[入门] arduino学习中常用电机科普之直流有刷电机与无刷电机

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   由于前段在学习Arduino控制一个小马达的时候,才开始接触电机,不接触不知道,一接触发现电机的种类还挺多的。搞得我晕头转向的,然后花了点时间总结了arduino常常用到的记住电机,算是做个总结,也是给小白分享一下电机小知识,如果有错,欢迎纠正,我及时更正。
  玩arduino的过程中,常用的直流电机有有刷直流电机无刷直流电机直流减速电机直流伺服电机(也称舵机),步进电机。
各种电机.png
       本帖不讲程序,只讲电机原理与构造,因为我发现各种厂家的电机驱动板都会提供驱动程序demo,对于小白来讲,虽然可以驱动,但是只知其然,不知其所以然,总觉得不爽呢。几乎各个品牌都没有电机原理与构造的讲解,当然这不在他们的义务当中。我经过一段时间的网上学习与收集,在这分享各种常用电机的基本知识。
1.直流电机
直流有刷电机.png

  上图这种电机我想大家都见过,小时候经常玩的四驱车,就是这种,以前我叫它马达,哈哈,完全没有电机的概念,只知道给它通上电会转。其实它是有刷直流电机。

  这种直流有刷电机的主要特点是可以快速连续旋转。它被大量应用于驱动遥控模型车的车轮。最常见的型号有130,因此很多朋友也会称呼这种电机为130电机。


直流电机工作原理 直流电机工作原理.jpg


    直流电机里边固定有环状永磁体,电流通过转子上的线圈产生安培力,当转子上的线圈与磁场平行时,再继续转受到的磁场方向将改变,因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触,从而线圈上的电流方向也改变,产生的洛伦兹力方向不变,所以电机能保持一个方向转动。



  直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势,靠换向器配合电刷的换向作用,使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

  感应电动势的方向按右手定则确定(磁感线指向手心,大拇指指向导体运动方向,其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向)。导体受力的方向用左手定则确定。

  这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩,这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向,企图使电枢逆时针方向转动。

  如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩(例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩),电枢就能按逆时针方向旋转起来。

有刷直流电机

直流电机.gif

有刷电机的主要结构就是定子+转子+电刷,通过旋转磁场获得转动力矩,从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦,在转动中起到导电和换相作用。





有刷电机.jpg
有刷电机采用机械换向,磁极不动,线圈旋转。电机工作时,线圈和换向器旋转,磁钢和碳刷不转,线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。
  随着电机转动,不同时刻给不同线圈或同一个线圈的不同的两极通电,使得线圈产生磁场的N-S极与最靠近的永磁铁定子的N-S极有一个适合的角度差,磁场异性相吸、同性相斥,产生力量,推动电机转动。碳电极在线圈接线头上滑动,象刷子在物体表面刷,因此叫碳“刷”。
  相互滑动,会摩擦碳刷,造成损耗,需要定期更换碳刷;碳刷与线圈接线头之间通断交替,会发生电火花,产生电磁破,干扰电子设备。
无刷直流电机
直流电动机.gif

无刷电机中,换相的工作交由控制器中的控制电路(一般为霍尔传感器+控制器,更先进的技术是磁编码器)来完成。

无刷直流电机.png

无刷直流电机解构.jpg

无刷电机采取电子换向,线圈不动,磁极旋转。无刷电机,是使用一套电子设备,通过霍尔元件,感知永磁体磁极的位置,根据这种感知,使用电子线路,适时切换线圈中电流的方向,保证产生正确方向的磁力,来驱动电机。消除了有刷电机的缺点。


这些电路,就是电机控制器。无刷电机的控制器,还可以实现一些有刷电机不能实现的功能,比如调整电源切换角,制动电机,使电机反转,锁住电机,利用刹车信号,停止给电机供电。现在电瓶车的电子报警锁,就充分利用了这些功能。


有刷直流电机与无刷直流电机的区别

1.适用范围

无刷电机:通常被使用在控制要求比较高,转速比较高的设备上,如航模,精密仪器仪表等对电机转速控制严格,转速达到很高的设备上。
碳刷电机:通常动力设备使用的都是有刷电机,如吹风机、工厂的电动机、家用的抽油烟机等等,另外串激电机的转速也能达到很高,但是由于碳刷的磨损,使用寿命不如无刷电机。

2.使用寿命
无刷电机:通常使用寿命在几万小时这个数量级,但是由于轴承的不同无刷电机使用寿命也有很大不同。

碳刷电机:通常有刷电机的连续工作寿命在几百到1千多个小时,到达使用极限就需要更换碳刷,不然很容易造成轴承的磨损。

3.使用效果

无刷电机:通常是数字变频控制,可控性强,从每分钟几转,到每分钟几万转都可以很容易实现。

碳刷电机:旧碳刷电机一般启动以后工作转速恒定,调速不是很容易,串激电机也能达到20000转/分,但是使用寿命会比较短。

4.节能方面

相对而言,无刷电机采用变频技术控制的会比串激电机节能很多,最典型的就是变频空调和冰箱。

5.日后维修方面

碳刷电机需要更换碳刷,如果更换不及时会造成电机的损坏,而无刷电机,使用寿命很长,通常是有刷电机的10倍以上,但是坏了就需要更换电机,但日常维护基本不需要。

直流减速电机
了解了直流电机原理和种类之后,开始学习直流减速的电机的驱动
直流减速电机相比较直流电机加了减速器。
直流减速电机.png

直流减速电机2.png

 光DFRobot就有几十种直流减速电机,别怕,哈哈,其实它很简单。它只是在直流电机的基础上添加了减速器。那么什么是减速器呢。我们知道直流电机,平时转的超级快,一般直流电机的转速都是一分钟几千上万转的,比如我们小时候玩的四驱车,装上电池,那叫一个快啊,根本追不上。但是很多厂景,并不需要那么快,所以我们就需要给电机减速,其实就是在电机旁边加减速器(在我看来就是加一些齿轮)。



减速器
减速器是一种相对精密的机械零件,使用它的目的是降低转速,增加转矩。减速后的直流电机力矩增大、可控性更强。按照传动级数不同可分为单级和多级减速器;按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器。
减速器.png

齿轮减速器: 体积较小,传递扭矩大,但是有一定的回程间隙。

涡轮减速器.png

蜗轮蜗杆减速器:具有反向自锁功能,可以有较大的减速比,但是一般体积较大,传动效率不高,精度不高。

行星减速.gif

行星减速器:结构比较紧凑,回程间隙小、精度较高,使用寿命很长,额定输出扭矩可以做的很大,但价格略贵。

以上就是直流电机中最基本的有刷与无刷电机的总结啦,至于驱动其实给正负极两端加上合适的电压就可以啦,但是那样控制是极其不精确的,一般我们都要使用专门的电机驱动板,这里就不给大家介绍啦,常用的驱动板有L298N,TB6612FNG。


推荐小白玩DFRobot的L298N,L298P电机驱动板,因为官方wiki有较详细的教程哟,怎么驱动怎么连线都有教程,我这里就不多费口舌啦。

电机驱动.png


下一篇文章将给大家分享常见的直流伺服电机与步进电机(NEMA步进电机(42步进电机),28BYJ-48单极性步进电机)的原理。

hnyzcj  版主

发表于 2020-6-14 19:16:56

本帖最后由 hnyzcj 于 2020-6-14 19:19 编辑

好多马达
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lthirty  初级技师

发表于 2020-6-15 21:08:29

给楼主点个赞
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代码应该敲的东  中级技师
 楼主|

发表于 2020-6-16 10:44:48


感谢感谢
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20060606  高级技匠

发表于 2020-6-21 05:47:44

好教程,学习啦
文中说“通常有刷电机的连续工作寿命在几百到1千多个小时,到达使用极限就需要更换碳刷,不然很容易造成轴承的磨损。”
感觉rf300和rf500这类电机能长时间运行,130电机持续运行半小时就会损坏
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20060606  高级技匠

发表于 2020-6-26 05:54:03


好教程,学习啦
文中说“通常有刷电机的连续工作寿命在几百到1千多个小时,到达使用极限就需要更换碳刷,不然很容易造成轴承的磨损。”
感觉rf300和rf500这类电机能长时间运行,130电机不做限流持续运行半小时就会损坏
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DFS1w2cb8o8  中级技师

发表于 2020-7-4 17:55:28

好详细呀
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20060606  高级技匠

发表于 2020-7-18 05:38:07

学习啦,请教一下四根线的硬盘电机怎么驱动
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